Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Обе изложенные истории теории струн правдивы. Но ведь гораздо веселее выбрать одну и игнорировать другую.

Помимо того, что Джо написал один из первых учебников по теории струн, он еще сыграл важную роль в развитии теории, поскольку первым продемонстрировал, что теория струн не описывает исключительно одноразмерные объекты, но и содержит многомерные мембраны. Всего пару дней назад он опубликовал статью, в которой изложил свои размышления о том, полезны ли неэмпирические критерии для оценки перспектив теории, в данном случае – теории струн.

Я пожимаю руку его жене и сыну. Сняв обувь, на цыпочках прохожу по ковру и утопаю в кресле.

«Что вы думаете насчет идеи Рихарда Давида о неэмпирической оценке теорий?» – начинаю я.

«Я не понимаю, что значат эти слова, – отвечает Джо. – Я всего лишь скромный физик, пытающийся понять мир. Но подозреваю, что Давид говорит о чем-то довольно близком моему собственному образу мыслей. Если я задаюсь вопросами: “Над чем я хочу работать, если принять во внимание все указания, что я в своей жизни накопил?”, “Какие направления самые многообещающие?”, “Какие направления вероятнее всего приведут к успеху?”, то мне приходится делать подобную оценку. И я верю, что есть указания – я насчитал шесть типов, – подтверждающие, что теория струн – верное направление»¹⁵⁵.

«Некоторые вещи, о которых говорит Давид, вроде бы совпадают с тем, как вижу проблему я. Но в то же время эти слова – “неэмпирическая”… О них я не думаю».

Он смотрит на меня выжидательно.

«Полагаю, что Давид имеет в виду именно то, что вы сказали, – соглашаюсь я. – И мы определенно принимаем в расчет другие факты помимо данных; так, по всей видимости, всегда и было. Однако сейчас задержка по времени между выдвижением гипотезы и ее проверкой стала очень большой, что делает оценку теорий иными способами, кроме как с помощью данных, все важнее».

«Да, – говорит Джо. – [Макс] Планк понял это больше ста лет назад: между тем, что они тогда могли измерить, и тем, куда нам, видимо, придется пойти, двадцать пять порядков величины. Сегодня эти две области все еще разделены пятнадцатью порядками. Есть сильная надежда, что мы сумеем увидеть что-то на низких энергиях, – это ваша тема, феноменология квантовой гравитации: попытка изыскивать все возможные способы видеть вещи, которые были бы доступны на низких энергиях. Увы, пока ничего не обнаружено, хотя всем нам очень бы хотелось обратного».

«Думаю, – продолжает он, – вы приложили много усилий, чтобы отделить идеи, которые звучат как хорошие, от тех, которые таковыми не кажутся. Я действительно вижу в вас того, кто сам лично сильно старался. Это важное дело. И вообще-то поистине неблагодарное, ведь количество плохих идей растет куда быстрее, чем число хороших. А зачастую гораздо больше времени уходит на то, чтобы разобраться, почему что-то неверно, чем породить нечто неверное».

Пожалуй, это самый милый способ, каким мне когда-либо давали понять, что я идиот.

«Люди, надеющиеся на феноменологию, – говорит Джо, – все сталкиваются с одинаковой проблемой: им нужно преодолеть остающиеся пятнадцать порядков. Тяжелейшая задача. В феноменологии теории струн ситуация преимущественно такая: у вас есть не столько теория, сколько возможная феноменология, которая однажды может стать частью теории. И не потому, что люди делают что-то неправильно, а потому, что вывести феноменологию – столь трудная задача. И поэтому сплошь и рядом нам приходится размышлять о значительно больших временных масштабах, чем мы привыкли».

«И все из-за Планка. Если бы только он выдумал число поменьше…»

Планковская энергия – того масштаба, где мы могли бы заметить квантовые флуктуации пространства-времени. Примерно 10¹⁸ ГэВ, колоссально большая по сравнению с энергиями, достижимыми сегодня в коллайдерах (рис. 14). Большой разрыв между энергиями, доступными сегодня, и теми, на которых должны проявиться Великое объединение и квантовая гравитация, часто называют «пустыней», ведь, насколько нам сейчас известно, там может не быть никаких новых явлений.

Рис. 14. Шкала энергий

Если бы мы возжелали напрямую достичь планковских энергий, нам понадобился бы коллайдер размером с Млечный Путь. А если бы мы хотели измерить квант гравитационного поля – гравитон, – детектор должен был бы равняться по размеру Юпитеру и размещаться не где-нибудь, а на орбите мощного источника гравитонов, такого как нейтронная звезда. Это определенно не те эксперименты, которые нам могут профинансировать в ближайшее время. Поэтому многие физики насчет возможности измерить квантовую гравитацию настроены пессимистически, что влечет за собой философский вопрос: если мы не можем подвергнуть ее проверке, наука ли это?

Однако мало кого из физиков-теоретиков беспокоит эта дилемма, поскольку вопрос это не только эстетики, но и согласованности.

Объединение Стандартной модели с общей теорией относительности порождает внутренние противоречия, которые выше энергии Планка не могут описывать никаких наблюдений. Таким образом, мы знаем, что просто объединить две теории в одну – неправильная стратегия, должен быть способ получше.

Противоречия возникают из-за того, что общая теория относительности – не квантовая теория, но тем не менее должна откликаться на вещество и излучение, обладающие квантовыми свойствами. Согласно Стандартной модели, электрон, к примеру, может находиться в двух местах одновременно, поскольку описывается волновой функцией. А согласно общей теории относительности, масса электрона искривляет вокруг себя пространство-время. Но вокруг какого положения? Общая теория относительности ответить на этот вопрос не способна, потому что искривление пространства-времени не имеет квантовых свойств и не может находиться в двух местах одновременно.

Мы не можем провести нужные измерения, ведь гравитационное притяжение электрона слишком слабое, но это и не важно – теория должна быть способна давать четкие ответы на вопросы независимо от того, осуществима проверка или нет.

Подобные вопросы согласованности – редкие и чрезвычайно эффективные подсказки. Бозон Хиггса – пример как раз такого предсказания по необходимости. Стандартная модель без хиггсовского бозона становится внутренне несогласованной на масштабе энергий, достижимых в Большом адронном коллайдере, поскольку результаты некоторых вычислений начинают противоречить вероятностной интерпретации[86]. Следовательно, мы знали: в Большом адронном коллайдере что-то должно произойти.

Так как ни одно доказательство не лучше своих допущений, невозможно было бы доказать, что в Большом адронном коллайдере должно произойти нечто особенное. Это могло быть что-то, не связанное с бозоном Хиггса, – скажем, электрослабое взаимодействие вдруг становилось бы неожиданно сильным. Но мы знали: что-то должно произойти, раз теории, имевшиеся у нас на тот момент, не согласовывались. Если вы хотите потренировать свой мозг, можете попробовать вообразить природу, демонстрирующую настоящую логическую неувязку или, может, соблюдающую более замысловатые правила логики. Но и это означало бы «что-то новое».

Однако ожидание, что в Большом адронном коллайдере появятся какие-то другие новые частицы, кроме бозона Хиггса, родилось не из необходимости, а из веры в то, что природа старается избегать тонко настроенных параметров.

«Масса бозона Хиггса стала большим сюрпризом, – говорит Джо, – ведь суперсимметрию пока еще не нашли. И даже если бы ее сейчас нашли, числа уже так подкручены, что все еще требуется много тонкой настройки. Не знаю, что об этом думать. Но и ответа лучше у меня нет. Потому что космологическая постоянная – большая проблема. И нужно делать что-то с массой хиггсовского бозона».

«Сначала у нас было две идеи – техницвета и суперсимметрии – для разрешения проблемы с массой бозона Хиггса. В случае с техницветом решение делало частицы составными. К сожалению, эта идея быстро стала более сложной и менее перспективной. А теперь и суперсимметрия в том же положении. Это была красивая теория, какую очень легко с радостью приветствовать, но сейчас она становится все сложнее. Я все еще надеюсь, что мы ее обнаружим. И тогда, возможно, поймем, почему при высоких энергиях она реализуется более хитроумным образом, чем мы ожидали».

«У меня нет никаких догадок, почему суперсимметрию до сих пор не видно и что это означает для будущего. Все сейчас взволнованы из-за того всплеска на 750 ГэВ[87]. Ну, вы знаете».

«Что делает суперсимметрию такой уж красивой?» – спрашиваю я.

«Я всегда с некоторой осторожностью использую слова вроде “красота”. Они очень неопределенные, – говорит Джо. – Как-то я написал обзор о работах Дирака ¹⁵⁶. Его очень сильно вдохновляла красота. В конце обзора я написал: “Красоту узнаёшь, когда видишь ее, и вот она перед вами”. Но все же в каком-то смысле я этого слова избегаю».

«Думаю, что геометрия воодушевляет меня меньше, чем большинство людей. Меня впечатляют идеи, связывающие воедино то, что прежде не было очевидным образом связано. Вот, например, мы знаем, что в мире есть бозоны, а есть фермионы, и было бы здорово, если бы они каким-нибудь образом оказались в прошлом связаны».

[86] Речь идет о сечении рассеяния W-бозонов друг на друге.

[87] Имеется в виду дифотонная аномалия.