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

Думаю, его идея послужит неплохим антидотом против привлекательности теории струн, поэтому я договариваюсь с ним созвониться.

«А чем вам не нравятся, – начинаю я, – существующие подходы – теория струн, петлевая квантовая гравитация, суперсимметрия – в том, что касается квантовой гравитации и объединения взаимодействий?»

«У меня очень строгий подход к квантовой теории», – говорит Сяоган и начинает излагать свои идеи. Чтобы описать кубиты и то, как они взаимодействуют, он использует большую матрицу – более строгий вариант таблицы, – каждый элемент которой описывает кубит. Матрица эта меняется в абсолютном времени, тем самым разрушая концепцию единства пространства и времени, сформулированную Эйнштейном.

Мне это совсем не нравится. Но ведь потому и решено было поговорить с ним, напоминаю я себе.

«Ваша матрица конечна?» – спрашиваю я, не очень-то желая верить, что всю Вселенную можно свести в таблицу.

«Да», – отвечает Сяоган. И добавляет, что его подход предполагает конечность и самой Вселенной. «Если рассматривать пространство как решетку, то в каждом ее узле будет один или два кубита. Мы утверждаем, что постоянная решетки может быть планковского масштаба. Но у решетки нет непрерывной геометрии – Вселенная есть лишь отдельные кубиты. Квантовая динамика кубитов описывается матрицей, и матрица конечна».

Чудесно, думаю я; это еще уродливее, чем я предполагала. «Вы просто постулируете эту матрицу?» – спрашиваю я Сяогана.

«Да, – говорит он, – и я убежден, что все главные особенности Стандартной модели могут быть из этой матрицы получены. У нас еще нет полной модели, но все необходимые составляющие могут быть образованы кубитами на решетке».

«А что происходит со специальной теорией относительности?» – интересуюсь я.

«В точку! Вот об этом нам действительно стоит беспокоиться».

Действительно, думаю я, пока он объясняет, что специальная теория относительности «согласуется с кубитным подходом, но не естественным образом».

«Что значит “не естественным образом”?» – желаю я знать.

Оказывается, чтобы отладить специальную теорию относительности, Сяоган должен тонко настроить параметры модели. «Почему должно быть так, я не знаю, – говорит он. – Но если вы настаиваете, я могу это сделать».

Как только тонкая настройка будет осуществлена, кубитная модель Сяогана сможет примерно воспроизвести специальную теорию относительности, по крайней мере, так он мне говорит.

«Но калибровочные симметрии эмерджентны при низких энергиях?» – допытываюсь я, желая убедиться.

«Да», – подтверждает Сяоган. Учитывая, что «фундаментальная теория природы может и не иметь вообще симметрии», объясняет он, «нам в кубитной модели и не нужна никакая симметрия, чтобы на низких энергиях получить калибровочную».

Кроме того, говорит Сяоган, он и его коллеги нашли некоторые намеки на то, что модель может также содержать приближение общей теории относительности, хотя, подчеркивает он, точных выводов они пока не делали.

Я настроена скептически, но велю себе быть более открытой. Разве это не то, что я искала, – тропинка вне проторенной дороги? Разве на самом деле менее странно верить, что все состоит из струн, или петель, или некоего 248-размерного представления алгебры Ли, чем верить, что все состоит из кубитов?

Какой же явной дикостью должно выглядеть для человека, в последний раз имевшего дело с физикой в одиннадцатом классе, то, что людям платят за подобные идеи! Но ведь людям платят и за бросание мяча в кольцо, вспоминаю я.

«Как вашу работу приняли?»

«Плохо, – говорит Сяоган. – Специалистов по физике высоких энергий мало волнует то, что мы пытаемся сделать. Они спрашивают, зачем мы это делаем, поскольку думают, что Стандартной модели плюс теории возмущений вполне достаточно, а выходить за эти пределы, по их мнению, и не нужно».

Внезапно я понимаю, из чего исходит Сяоган. Дело вообще не в объединении взаимодействий. Он хочет вычистить грязную математику Стандартной модели.

Если вдруг у вас сложилось впечатление, что мы понимаем теории, с которыми работаем, вынуждена вас разочаровать – это не так. Мы даже не можем решить уравнения Стандартной модели, поэтому находим их приближенные решения с помощью так называемой теории возмущений.

Для этого мы сначала смотрим на частицы, вообще не взаимодействующие, чтобы понять, как они движутся в непотревоженном состоянии. Затем позволяем им сталкиваться друг с другом, но легонько, так, чтобы они не сшибали друг друга со своих траекторий слишком сильно. Затем мы производим последовательные уточнения, принимающие в расчет возрастающее число мягких столкновений, пока не достигнем желаемой точности вычислений. Будто сперва намечаем контур, а затем постепенно добавляем детали.

Однако этот метод работает только тогда, когда взаимодействие между частицами не слишком сильное – столкновения не чересчур жесткие, – поскольку иначе уточнения не становятся все более тонкими (то есть перестают быть уточнениями). Вот почему, например, трудно рассчитать, как кварки объединяются для формирования атомных ядер, ведь при низких энергиях сильное взаимодействие действительно сильно – и уточнения не становятся прецизионнее. По счастью, так как сильное взаимодействие ослабевает при высоких энергиях, расчеты для столкновений на Большом адронном коллайдере сравнительно просты.

Даже несмотря на то, что метод в некоторых случаях работает, мы знаем, что математика в конце концов даст сбой, поскольку уточнения становятся все деликатнее не до бесконечности. Для прагматичного физика метод, обеспечивающий корректные предсказания, вполне подходит, независимо от того, пришли ли математики к согласию относительно причин действенности этого метода. Однако, как заметил Сяоган, по большому счету мы не понимаем собственной теории. Возможно, мы допускаем промах в математике, а может, это намек на более глубокую проблему[95].

Вэнь Сяоган считает, что эта проблема получает незаслуженно мало внимания, а недостаток внимания означает недостаток экспериментов, которые помогли бы расставить все по местам. «Нам нужны новые эксперименты, которые заставляют людей взглянуть в лицо проблеме», – говорит он. И предлагает изучать поведение вещества в ранней Вселенной в тех случаях, с которыми нельзя справиться обычными приближениями.

Он прав, думается мне, жаль, что я недооценила его идею. Я совершенно забыла об этих общеизвестных проблемах. Никто о них вообще не упоминает.

«Когда я пытаюсь написать статью для специалистов в области квантовой гравитации и физики высоких энергий, а ведь исходно я и сам занимался физикой высоких энергий, то чувствую, насколько затруднено общение, – говорит Сяоган. – Стандартная точка зрения и стартовая точка сильно различаются. На наш взгляд, стартовая точка – просто много обычных кубитов. Но это ведет к калибровочной симметрии, [фермионам] и так далее. А красота эмерджентна. Это, увы, непопулярно, не мейнстрим».

Глава 9

Вселенная: все, что в ней есть, и даже больше

[95] Это не единственная математическая проблема со Стандартной моделью или, шире, с квантовыми теориями поля. Другая подобная проблема – теорема Хаага, согласно которой все квантовые теории поля тривиальны и физически нерелевантны. Это несколько неприятно, так что физики теорему Хаага игнорируют.