Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

На следующее утро он осознал, что, хотя он не мог бы предстать перед Эйнштейном и сказать, что его работа была хламом, он не мог бы и не сказать ему ничего. Так что он не пришел на встречу и, как он сказал мне, исчерпал в результате все восемь лет, пока смерть Эйнштейна не отменила все.

Я смог только сказать очевидное: "Вы не думаете, что Эйнштейн мог бы защититься и объяснить вам свою мотивацию?"

"Определенно," – ответил Дайсон, – "Но я стал намного старше, прежде чем эта мысль посетила меня."

Одна из проблем, которая стояла перед Эйнштейном и несколькими теоретиками, занимавшимися единой теорией поля, была (исключая насмешки со стороны физиков, занимающихся частицами) в том, что этот вид унификации оказался слишком простым. Вместо того, чтобы быть тяжелыми для поиска, единые теории поля были по пятачку пучок. Было множество различных путей для их достижения и никаких оснований для выбора одной среди других. За десятилетия трудов было только одно реальное продвижение: Была решена проблема присоединения двух ядерных сил. Оказалось, что все, что требуется, это добавить еще больше дополнительных размерностей. Поля, необходимые для описания слабого и сильного ядерных взаимодействий, появлялись, когда к ОТО были добавлены еще несколько размерностей. История почти та же, что и в попытках Калуцы с электромагнетизмом: Заморозили геометрию дополнительных измерений, убедились, что их геометрия никогда не изменяется во времени и в пространстве, и сделали их размер слишком маленьким, чтобы их разглядеть. Когда все это сделано корректно, необходимые уравнения (известные как уравнения Янга-Миллса) возникают из применения уравнений ОТО к высшим измерениям.

Тот факт, что уравнения Янга-Миллса были скрыты в высокоразмерных обобщениях ОТО, не был открыт до 1950х, но их значение не было осознано до 1970х, когда мы, наконец, поняли, что эти уравнения описывают слабые и сильные ядерные силы. Когда люди, наконец, установили эту взаимосвязь, было несколько попыток пересмотреть идеи Калуцы-Кляйна, но они не зашли очень далеко. К тому моменту мы узнали, что в природе отсутствует определенная симметрия – такая как равноправие между правым и левым. А именно, все нейтрино являются тем, что называется левоспиральными (это означает, что направление их спина всегда противоположно направлению их линейного импульса). Это означает, что если вы посмотрите на мир через зеркало, вы увидите неправильный мир – в котором нейтрино являются правоспиральными. Так что мир, который виден в зеркале, не является возможным миром. Но эту асимметрию оказалось тяжело объяснить в мире, описываемом теорией Калуцы-Кляйна. Кроме сказанного, теории с высшими размерностями продолжали не делать никаких новых предсказаний. Условия, которые мы налагали на дополнительные размерности, чтобы получить ожидаемую физику, были семенами разрушения теорий. В самом деле, чем больше размерностей вы включали, тем большую цену вы платили за замораживание их геометрии. Чем больше измерений, тем больше степеней свободы – и тем больше свободы соответствует геометрии дополнительных измерений, чтобы убежать от жесткой геометрии, необходимой для воспроизведения сил, известных в нашем трехмерном мире. Проблема нестабильности становится все хуже и хуже.

Более того, как только имеется более одного скрытого измерения, имеется много различных способов их скручивания. Вместо того, чтобы быть только одним – окружностью – возникает бесконечное число способов, которыми скрытые размерности могут быть скручены, так что возникает бесконечное число возможных версий теории. Как природа выбирает среди них?

Снова и снова в ранних попытках объединения физики через дополнительные размерности мы сталкивались с той же самой историей. Имеется несколько решений, которые приводят к наблюдаемому нами миру, но они являются нестабильными островами в безбрежном ландшафте возможных решений, оставшаяся часть которого совсем непохожа на наш мир. И раз уж были наложены условия, чтобы удалить лишнее, там нет "дымящегося пистолета" – явной улики – нет следствий от унификации, которые еще не наблюдались, но могли бы наблюдаться, если экспериментаторы поискали бы их. Так что тут нечего праздновать, но есть очень много чего прятать.

Но здесь имеется даже еще более фундаментальная проблема, которая проявляется через соотношение единых теорий с квантовой теорией. Ранние попытки что-то сделать в теориях единого поля имели место до того, как квантовая механика была полностью сформулирована, в 1926. Конечно, несколько сторонников квантовой теории интересовались умозрительными построениями по поводу соотношения между дополнительными размерностями и квантовой теорией. Но после 1930 или около того произошел раскол. Большинство физиков игнорировали проблему унификации и, вместо этого, сконцентрировались на приложениях квантовой теории к громадному массиву явлений от свойств материалов до процессов, с помощью которых звезды производят энергию. В то же время, те немногие, кто упорно продолжал работать над едиными теориями, все больше и больше игнорировали квантовую теорию. Эти люди (Эйнштейн среди них) работали так, как если бы Планк, Бор, Гейзенберг и Шредингер никогда не существовали. Они жили после квантовомеханической революции, но пытались работать в умозрительной вселенной, в которой эта революция никогда не происходила. Они казались своим современникам похожими на старомодное сообщество аристократов российской эмиграции, которые в 1920е и 1930е проводили свои тщательно разработанные социальные ритуалы в Париже и Нью-Йорке так, как если бы они вернулись назад в царский Санкт-Петербург.

Конечно, Эйнштейн не был прямо уж неким отвергнутым интеллектуалом-эмигрантом из потерянного мира (даже если он был интеллектуалом-эмигрантом из потерянного мира). Он знал полностью, что он игнорирует квантовую теорию, но он имел причину: он в нее не верил. Даже если он сам поджег квантовую революцию со своим осознанием, что фотон реален, он отвергал следствия. Он надеялся открыть более глубокую теорию квантовых явлений, которая была бы для него приемлема. Это именно туда, как он надеялся, приведет его единая теория поля.

Но она не привела. Мечта Эйнштейна об окончании бегов вокруг квантовой теории потерпела неудачу, и она более или менее умерла вместе с ним. К тому времени немногие почитали его и еще меньше следовали за ним. Физики в то время думали, что у них есть лучшие вещи для занятий, чем игра с фантастическими идеями об унификации. Они были загружены тяжелой работой по каталогизации множества новых частиц, которые были открыты, и по оттачиванию теорий двух вновь открытых фундаментальных сил. То, что некоторые могут рассуждать о том, что мир имеет более чем три пространственных измерения, скрученных в слишком малый размер, чтобы их было видно, казалось им столь же сумасшедшим и непродуктивным, как изучение НЛО. Не было выводов для эксперимента, не было новых предсказаний, так что в период, когда теория разрабатывалась рука об руку с экспериментом, не было смысла уделять этому внимание.

Но предположим на минуту, что, несмотря на все препятствия, мы все еще серьезно ожидали получить идеи по единому полю. Могли ли эти теории быть сформулированы на языке квантовой теории? Ответ был безоговорочно: нет. Никто не знал в то время, как сделать даже ОТО согласующейся с квантовой теорией. Все ранние попытки сделать это провалились. Когда вы добавляли больше измерений или больше искажений в геометрию, вещи всегда становились хуже, а не лучше. Чем больше число измерений, тем быстрее уравнения вырываются из-под контроля, раскручиваясь в бесконечные величины и противоречия.

Так что, хотя идея унификации с привлечением высших размерностей была очень привлекательной, от нее отказались, и по веской причине. Она не делала проверяемые предсказания. Даже если такая теория производила специальные решения, которые описывали наш мир, имелось, как отмечалось, намного больше решений, которые наш мир не описывали. А те несколько решений, которые описывали, были нестабильными и могли легко эволюционировать в сингулярности или в миры, совершенно не похожие на наш собственный мир. И, наконец, они не могли быть согласованы с квантовой теорией. Запомним эти причины – еще раз, потому, что успех или неудача новейших предложений по унификации, таких как теория струн, зависит от того, смогут ли они решить эти настоящие проблемы.

К тому времени, когда я начал изучение физики в начале 1970х, идея объединения гравитации с другими силами была так же мертва, как и идея непрерывной материи. Это был урок глупости некогда великих мыслителей. Эрнст Мах не верил в атомы, Джеймс Клерк Максвелл верил в эфир, а Альберт Эйнштейн занимался поисками единой теории поля. Жизнь непростая штука.

4. Объединение становится наукой

После того, как идея объединения всех четырех фундаментальных сил через придумывание новых размерностей потерпела крах, большинство физиков-теоретиков отказались от идеи связать гравитацию и другие силы, решение, которое имело смысл, поскольку гравитация значительно слабее, чем остальные три силы. Их внимание вместо этого привлек зоопарк элементарных частиц, который экспериментаторы наоткрывали на своих ускорителях частиц. Они исследовали данные в поисках новых принципов, которые могли бы, по меньшей мере, объединить все различные виды частиц.

Игнорирование гравитации означает шаг назад, к пониманию пространства и времени до ОТО Эйнштейна. Это была рискованная вещь, сделать так на долгом пути, так как это означает работать с идеями, которые уже были смещены. Но это имело и преимущества, так как этот подход привел к величайшему упрощению проблемы. Главный урок ОТО заключался в том, что нет фиксированной геометрии пространства и времени; игнорирование этого означало, что вы можете просто выбрать фон. Это отсылает нас назад к ньютоновской точке зрения, согласно которой частицы и поля населяют фиксированный фон пространства и времени – фон, чьи свойства фиксированы навечно.

Однако, нет необходимости проходить весь обратный путь к Ньютону. Можно работать в рамках описания пространства и времени, данного в СТО Эйнштейна в 1905. В соответствии с ней геометрия пространства и времени является той, которую задал Евклид, и ее изучали многие из нас в начале высшей школы; однако, пространство и время перемешаны, чтобы приспособиться к двум постулатам Эйнштейна, относительности наблюдателей и постоянства скорости света. Теория не может адаптировать гравитацию, но это правильные установки для максвелловской теории электрических и магнитных полей.

Раз квантовая механика была полностью сформулирована, квантовые теоретики обратили свое внимание на объединение электромагнетизма с квантовой теорией. Поскольку основным феноменом электромагнетизма являются поля, унификация, которая была в итоге получена, названа квантовой теорией поля. А поскольку СТО Эйнштейна является правильным подходом к электромагнетизму, эти теории можно также рассматривать как унификацию квантовой теории и СТО.

Было очень много стимулирующих проблем, чтобы применить квантовую теорию к частицам, поскольку поле имеет величину в каждой точке пространства. Если мы предположим, что пространство непрерывно, – как это декларируется в СТО, – то получим непрерывную бесконечность переменных. В квантовой теории каждая переменная подвержена принципу неопределенности. Одно следствие заключается в том, что чем более точно вы пытаетесь измерить переменную, тем более неконтролируемо она флуктуирует. Бесконечное число неконтролируемо флуктуирующих переменных может легко отбиться от рук. Когда вы задаете вопросы теории, вы должны быть очень аккуратны, чтобы не получить бесконечные или противоречивые ответы.

Квантовые теоретики уже знали, что для каждой электромагнитной волны имеется квантовая частица, фотон. Потребовалось всего несколько лет, чтобы разработать это в деталях, но в результате получилась просто теория свободно двигающихся фотонов; следующий этап заключался в присоединении заряженных частиц, таких как электроны и протоны, и в описании, как они взаимодействуют с фотонами. Целью была полностью последовательная теория квантовой электродинамики или КЭД. Это было намного более заманчивым. Впервые КЭД была прояснена японским физиком Син-Итиро Томонагой во время Второй мировой войны, но новости не достигли остального мира до 1948 или около того. К этому времени КЭД была еще дважды независимо сконструирована молодыми американцами Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером.

Когда КЭД была понята, встала задача распространить квантовую теорию поля на сильные и слабые ядерные силы. Это заняло следующую четверть века, и ключевым моментом стало открытие двух новых принципов: Первый определил, что общего имеют электромагнетизм и эти ядерные взаимодействия. Это было названо калибровочным принципом и, как я буду описывать, привело к объединению всех трех сил. Второй принцип объяснил, почему, хотя и объединенные, эти три силы столь различны. Он был назван спонтанным нарушением симметрии. Вместе эти два принципа формируют краеугольный камень стандартной модели физики частиц. Их точное применение привело к открытию, что частицы, вроде протона и нейтрона, не являются таки элементарными; вместо этого они построены из кварков.

Протон и нейтрон каждый имеют по три кварка, тогда как другие частицы, названные мезонами, имеют два (более точно, кварк и антикварк). Это открытие было сделано в начале 1960х независимо Мюрреем Гелл-Манном в Калтехе и Джорджем Цвейгом в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Вскоре после этого Джеймс Бьоркен в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC) и Ричард Фейнман в Калтехе предложили эксперименты, которые, когда их позднее провели в SLAC, подтвердили, что протон и нейтрон на самом деле состоят из трех кварков каждый.

Открытие кварков было существенным шагом в направлении унификации, поскольку взаимодействие протонов, нейтронов и других частиц было чрезвычайно сложным. Но имелась надежда, что сами силы между кварками могут быть простыми и что наблюдаемые сложности возникают из-за того, что протоны и нейтроны являются составными объектами. Этот вид представлений был уже подтвержден ранее: в то время как силы между молекулами сложны, силы между атомами, которые их составляют, могут быть легко поняты в терминах электромагнетизма. Эта идея заставила теоретиков бросить попытки понять силы между протонами и нейтронами в фундаментальных терминах и, вместо этого, поинтересоваться, как эти силы влияют на кварки. Это редукционизм в действии – старый трюк, при котором законы, управляющие частями, часто проще, чем законы, управляющие целым, – и, в конце концов, он был награжден открытием глубокой общности, которая соединяет две ядерные силы, сильную и слабую, с электромагнетизмом. Все три взаимодействия являются следствиями простого, но мощного калибровочного принципа.

Калибровочный принцип лучше всего понять в терминах того, о чем физики говорят как о симметрии. На простом языке симметрия есть операция, которая не изменяет то, как себя ведет некоторая вещь по отношению к внешнему миру. Например, если вы вращаете мяч, вы не изменяете его, он все еще остается сферой. Так что, когда физики говорят о симметрии, они могут иметь в виду операцию в пространстве, вроде вращения, которая не изменяет результат эксперимента. Но они могут также говорить о другом виде изменения, которое мы проделываем над экспериментом, которое не изменяет его результата. Например, представим, что вы берете две группы котов – скажем, восточных котов и западных котов – и проверяете их способности к подпрыгиванию. Если нет разницы в среднем прыжке, который может сделать кот, тогда мы говорим, что подпрыгивание кота является симметричным относительно операции замены всех ваших восточных котов на западных котов.

Вот другой пример, упрощенный и идеализированный, чтобы сконцентрировать внимание. Рассмотрим эксперимент, в котором пучок протонов ускоряется, а затем направляется на мишень, состоящую из определенного вида ядер. Вы, как экспериментатор, наблюдаете узор, который создают протоны, когда они рассеиваются на ядрах в мишени. Теперь без изменения энергии или мишени вы заменяете протоны на нейтроны. В определенных случаях рисунок рассеяния почти не изменяется. Эксперимент обнаруживает, что вовлеченные в процесс силы действуют одинаково на протоны и нейтроны. Иными словами, акт замены протонов на нейтроны является симметрией сил, действующих между ними и ядрами в мишени.

Знание симметрий хорошая вещь, так как они говорят вам кое-что о вовлеченных силах. В первом примере мы узнали, что сила гравитации, действующая на котов, не зависит от их места происхождения; во втором примере мы узнали, что определенные ядерные силы не могут обнаружить отличие между протонами и нейтронами. Иногда все, что мы получаем из симметрии, есть такая частичная информация о силах. Но есть специальные ситуации, в которых симметрии полностью определяют силы. Это оказывается именно так для класса сил, именуемых калибровочными силами. Я не хочу докучать вам точными подробностями, как это работает, так как это нам не понадобится. Но факт, что все свойства сил могут быть определены из знания симметрий, является одним из самых важных открытий физики двадцатого столетия. В этой идее смысл калибровочного принципа.

Две вещи о калибровочном принципе нам необходимо знать. Первая, что силы, к которым он приводит, переносятся частицами, названными калибровочными бозонами. Вторая вещь, которую нам надо знать, это что электромагнитные, сильные и слабые силы все оказываются силами такого типа. Калибровочный бозон, который соответствует электромагнитной силе, называется фотон. Калибровочный бозон, который соответствует сильному взаимодействию, удерживающему кварки вместе, называется глюон. Калибровочные бозоны для слабых сил имеют менее интересное название – они называются просто слабые бозоны.

Калибровочный принцип и есть та "красивая математическая идея", отмеченная в главе 3, которая была открыта Германом Вейлем в его неудавшейся попытке по объединению гравитации и электромагнетизма в 1918. Вейль был одним из самых глубоких математиков, когда-либо размышлявших над уравнениями физики, и именно он понял, что структура теории Максвелла полностью объясняется калибровочными силами. В 1950х некоторые люди поинтересовались, а не могут ли и другие теории поля быть сконструированы с использованием калибровочного принципа. Оказалось, что это может быть сделано на основе симметрий, включающих различные виды элементарных частиц. Эти теории теперь называются теориями Янга-Миллса в честь двух их изобретателей. Сначала никто не знал, что делать с этими новыми теориями. Новые силы, которые они описывали, должны были иметь бесконечную область распространения подобно электромагнетизму. Физики знали, что каждая из двух ядерных сил имеет короткую область распространения, так что, казалось, что они не могут быть описаны калибровочной теорией.

Что делает теоретическую физику в той же степени искусством, как и наукой, так это то, что лучшие теоретики имеют интуитивное шестое чувство о том, какие результаты могут быть проигнорированы. Таким образом, в начале 1960х Шелдон Глэшоу, тогда постдок (Постдок – разновидность стажерства, временная исследовательская позиция (от года до нескольких лет), предоставляемая западными институтами для обладателей докторской (PhD) степени. – (прим. перев.)) в Институте Нильса Бора, предположил, что слабая сила на самом деле описывается калибровочной теорией. Он просто постулировал, что некий неизвестный механизм ограничивает область распространения слабой силы. Если эта проблема области распространения могла бы быть решена, то слабая сила могла бы быть объединена с электромагнетизмом. Но все еще стояла глобальная проблема: как вы могли бы объединить силы, которые проявляются столь различным образом, как электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы?

Это пример общей проблемы, которая является напастью при любой попытке унификации. Явления, которые вы надеетесь объединить, различны – в противном случае не было бы ничего удивительного в их объединении. Так что даже если вы открыли некоторое скрытое единство, вам все еще надо понять, почему и как получилось, что они оказались различными.