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

Космологическая постоянная была измерена, и предсказание Вайнберга оказалось верным. Мультивселенная продемонстрировала свою целесообразность.

Джо продолжает: «Шон Кэрролл через несколько лет напомнил мне, что я пообещал уступить ему свой кабинет, когда будет найдена космологическая постоянная, поскольку я воспринимал это концом физики. Долгие годы я чувствовал, будто значительная часть нашего пути вперед перекрыта».

«Если честно, – добавляет Джо, – есть у меня большая склонность к тревожности, не раз осложнявшая мне жизнь. Но мультивселенная довела меня до такого состояния, что я подумал, не сходить ли к врачу. Правда-правда, я в итоге ходил к психиатру из-за мультивселенной». И смеется.

Но потихоньку Джо примирился с новым положением вещей. Теперь он считает достоинством теории струн то, что она обеспечивает целый ландшафт решений, который делает возможными вероятностные предсказания.

«Мысленно проследив историю науки и отбросив собственные мои ожидания, – говорит Джо, – признаюсь, что теория струн предоставила недостающий кусочек пазла, необходимый Вайнбергу, чтобы завершить его картину».

Мне кажется, история Джо обнажает сложность, о которой ученые редко рассказывают: принять правду бывает трудно, особенно если она уродлива.

Поиск красоты и смысла в естественном порядке вещей – это извечное человеческое стремление, и ученые тоже ему подвержены. Психолог Ирвин Ялом выделил бессмысленность как один из четырех наших экзистенциальных страхов[91], и мы прилагаем много усилий, чтобы убежать от нее. И действительно, многие когнитивные искажения, такие как склонность выдавать желаемое за действительное (психологи предпочитают называть ее «мотивированным мышлением»), служат нам защитой от грубой реальности.

Но как ученый вы обязаны отпустить эти утешительные заблуждения. Не всегда это просто. Открывшееся в ваших уравнениях может оказаться не тем, на что вы надеялись, – и цена несовпадения бывает высока.

Джо – один из самых интеллектуально честных людей из всех, кого я знаю. Он всегда готов следовать за аргументом, независимо от того, нравится ли ему, куда тот ведет, – как показывают примеры с файерволом черной дыры и с мультивселенной. Это позволяет ему исключительно ясно мыслить, хотя иногда ему совершенно не нравятся выводы, которые заставила его сделать логика. И вот та самая причина, по которой мы используем математику в теоретической физике: если математика выполнена корректно, выводы неоспоримы.

Но физика – не математика. Даже безупречный логический вывод все равно зависит от допущений, от которых мы отталкиваемся. В случае с теорией струн эти допущения, в числе прочих, – симметрии специальной теории относительности и процедура квантования. Никак нельзя доказать сами эти допущения. В конечном счете только эксперимент способен установить, какая из теорий природы верна.

Джо дошел до конца своих записей. Он говорит, что для него самая большая проблема из стоящих сейчас перед теорией струн – это файервол черной дыры. Файервол «преподал нам урок: мы знали куда меньше, чем нам казалось», объясняет Джо.

«Как далеко, по вашему мнению, мы продвинулись на пути к теории всего?» – спрашиваю я.

«Ненавижу термин “теория всего”, потому что “всё” – это расплывчато и кичливо, – замечает Джо как бы между прочим. – Думаю, теория струн неполна. И нуждается в новых идеях. Они могут прийти из петлевой квантовой гравитации. Тогда произойдет слияние направлений… И может оказаться, что новое направление как раз таки нам и нужно. Однако теория струн была столь успешна, что люди, которые собираются добиваться прогресса, будут неизбежно опираться на эту идею».

Теория струн и ЕЕ недостатки

Действие в романе Стивена Кинга «Томминокеры», изданном в 1987 году, начинается в лесу, где Роберта находит частично закопанный металлический объект. Она пробует вытащить его из земли, но тот не поддается, поэтому она начинает его раскапывать. Вскоре и другие люди присоединяются к ней в фанатическом порыве откопать захороненный объект, чем бы тот ни был, – огромную штуковину неизвестного назначения, уходящую глубоко под землю. Чем больше люди откапывают, тем хуже становится их здоровье, но зато они приобретают новые способности, включая телепатию и суперинтеллект. Объект оказывается инопланетным космическим кораблем. Некоторые люди умирают. Конец.

Стивен Кинг сам называл «Томминокеров» «ужасной книгой»¹⁵⁸. Может, он и прав, но получается отличная метафора теории струн: чужеземный объект неизвестного назначения, глубоко погребенный в математике, и крайне фанатичная толпа людей с суперинтеллектом, пытающихся разобраться, в чем тут дело.

Они до сих пор не знают, что их теория из себя представляет. Даже лучший друг специалистов по теории струн Джозеф Конлон таинственно назвал ее «упорядоченной структурой непонятно чего»¹⁵⁹. А Даниэль Амати, один из основоположников области, сказал, что «теория струн – это часть физики XXI века, случайно попавшая в век XX»¹⁶⁰. Знаю, в XX веке это звучало убедительнее.

Но несмотря на все споры, не утихающие вокруг теории струн в обществе, внутри сообщества физиков мало кто сомневается в ее полезности. В отличие от вихревой теории атома, математика теории струн глубоко коренится в теориях, которые очевиднейшим образом описывают природу: в квантовой теории поля и общей теории относительности. Поэтому мы уверены, что теория струн имеет связь с реальным миром. Также мы знаем, что она может помочь лучше понять квантовую теорию поля. Но действительно ли теория струн – это та желанная теория квантовой гравитации и объединения взаимодействий Стандартной модели, мы до сих пор не знаем.

Сторонники теории струн любят указывать на то, что, раз она является некоей теорией квантовой гравитации и связана с теориями, в правильности которых мы не сомневаемся, кажется разумным надеяться, что это та самая теория квантовой гравитации. Теория струн – настолько грандиозный и красивый математический аппарат, что ее сторонники не понимают, как это природа могла им не воспользоваться.

Например, широко используемый учебник по теории струн, написанный Ларсом Бринком и Марком Энно, начинается так: «Необыкновенная красота теории струн пленила многих физиков-теоретиков современности. Эта теория очаровала даже очень скептически настроенных людей уже известными своими результатами и большими возможностями в перспективе»¹⁶¹[92]. А вот слова Джона Шварца, одного из основоположников области: «…Математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое» ¹⁶²[93].

Впрочем, в математике полно потрясающих и красивых вещей, и большинство из них мир не описывают. Я могла бы до скончания вечной инфляции распространяться о том, как же несправедливо, что мы живем не в комплексном многообразии размерности шесть, ведь расчеты в подобных пространствах куда красивее, чем в вещественном пространстве, с которым нам приходится иметь дело, – но это ничего бы не изменило. Природе все равно. К тому же не только никто не доказал, что теория струн однозначно следует из общей теории относительности и Стандартной модели, но такое доказательство вообще невозможно привести, поскольку – а теперь хором – ни одно доказательство не лучше своих допущений.

А мы никогда не сумеем доказать истинность допущений. Следовательно, теория струн – не единственный подход ни к квантовой гравитации, ни к объединению; просто другие подходы берут иные допущения в качестве отправных точек, как теория E₈ Гарретта Лиси, которая исходит из предпосылки, что природа должна быть геометрически естественна. Однако помимо теории струн есть лишь несколько подходов к квантовой гравитации, развившихся до уровня заметных исследовательских программ.

Сейчас самый главный конкурент теории струн – петлевая квантовая гравитация. Во избежание проблем, которые обычно возникают при попытке проквантовать гравитацию, в этой теории вводятся новые динамические переменные, квантовые объекты – маленькие петли в пространстве-времени (отсюда и название теории). Сторонники петлевой квантовой гравитации считают, что важнее с самого начала соблюдать принципы общей теории относительности, чем принимать в расчет объединение взаимодействий Стандартной модели. Специалисты же по теории струн придерживаются противоположной точки зрения, полагая, что требование объединения всех взаимодействий дает дополнительные ориентиры.

Асимптотически безопасная гравитация – это, пожалуй, наиболее консервативное продолжение имеющихся у нас на сегодня теорий. Исследователи в этой области утверждают, что мы попросту ошибаемся, думая, что с квантованием гравитации возникает проблема. Если посмотреть внимательнее, говорят они, обычное квантование работает весьма неплохо. В этой теории проблемы, возникающие с квантованием гравитации, предотвращаются, поскольку гравитация становится слабее при высоких энергиях.

Причинная динамическая триангуляция разрешает проблему, сначала аппроксимируя пространство-время триангулярными формами (отсюда и название), а затем квантуя их. Благодаря этой идее в последние годы достигнут существенный прогресс, особенно в описании геометрии ранней Вселенной.

Есть и еще парочка подходов к квантовой гравитации, но перечисленные – в настоящее время самые популярные[94]. Сегодня почти при всех попытках проквантовать гравитацию предполагается, что симметрии, обнаруженные нами в Стандартной модели и общей теории относительности, уже выдают часть глубинной структуры. Противоположная точка зрения заключается в том, что наблюдаемые нами симметрии сами по себе не фундаментальны, а эмерджентны.

И возникает красота

Вэнь Сяоган – профессор физики конденсированного состояния в Массачусетском технологическом институте. Его область исследований имеет дело с системами, состоящими из многих частиц, которые действуют сообща, то есть с твердыми телами, жидкостями, сверхпроводниками и тому подобным. В терминах третьей главы физика конденсированного состояния использует эффективные теории, справедливые только при низком разрешении, или низкой энергии, – и не относится к основаниям физики. Однако Сяоган думает, что Вселенная и все в ней работает как конденсированное вещество.

В его воображении пространство состоит из крохотных элементарных ячеек, и то, что мы считаем частицами Стандартной модели, есть лишь коллективные движения – «квазичастицы» – этих элементарных ячеек. У Сяогана еще имеется квазичастица, исполняющая роль гравитона, так что гравитация тоже охвачена; он нацелился на завершенную теорию всего ¹⁶³.

В теории Сяогана элементарные ячейки – это квантовые биты, или «кубиты», квантовые аналоги классических битов. Классический бит допускает два состояния (скажем, 0 и 1), а кубит может находиться в обоих состояниях разом, в любых возможных комбинациях. В квантовом компьютере кубиты состоят из частиц. Но в теории Сяогана кубиты – фундаментальные объекты. Они не сделаны из чего-то еще, они просто есть, как струны в теории струн. Согласно Сяогану, Стандартная модель и общая теория относительности не фундаментальны, а эмерджентны – и возникают они из кубитов.

[91] Остальные три: смерть, изоляция и свобода. См.: Yalom I. D. 1980. Existential psychotherapy. New York: Basic Books. (Ялом И. Экзистенциальная психотерапия. М.: Класс, 1999. – Прим. перев.)

[92] Бринк Л., Энно М. Принципы теории струн. М.: Мир, 1991. – Прим. перев.

[93] Грин Б. Элегантная Вселенная: суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: URSS, 2008. – Прим. перев.

[94] Самый непопулярный подход – это мое утверждение, что мы тщимся решить не ту проблему: нам нужно понять не что происходит с гравитацией на малых расстояниях, а что происходит с квантованием на малых расстояниях. См.: Hossenfelder S. 2013. A possibility to solve the problems with quantizing gravity. Phys. Lett. B. 725: 473–476. arXiv:1208.5874 [gr-qc].