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

Может быть, полезно было бы остановиться и подумать о том, что это означает в человеческих выражениях. Мы говорим о тридцати годах непрерывной тяжелой работы, содержащей много сложных вычислений. Представьте, что вы платите подоходный налог каждый день все дни в течение недели и все еще не получили расчеты, чтобы непротиворечиво согласовать сумму. Где-то вы сделали ошибку, но вы не можете найти, где. Теперь представьте, что месяц прошел таким образом. Сможете вы растянуть его до года? Теперь представьте двадцать лет. Теперь представьте, что имеется пара дюжин людей во всем мире, проводящих время подобно вам. Некоторые друзья, некоторые конкуренты. Все они имеют свои собственные схемы того, как делать их работу. Каждая схема до настоящего времени приводила к неудаче, но если вы попытаетесь слегка изменить подход или объединить два подхода, возможно, вы достигнете успеха. Один раз или дважды в год вы приезжаете на международную конференцию, где вы можете представить свою новую схему другим фанатикам. Такой была область квантовой гравитации до 1984.

Ричард Фейнман был одним из первых, кто атаковал указанную проблему гравитона. А почему нет? Он сделал такую хорошую работу в КЭД, почему он не должен применить те же методы к квантовой гравитации? Так в начале 1960х он провел несколько месяцев вне физики частиц, чтобы посмотреть, не сможет ли он проквантовать гравитацию. Чтобы дать вам представление о том, что затем вынес на берег прилив квантовой гравитации, приведем письмо Фейнмана, которое он написал своей жене в 1962 о собрании в Варшаве, где он представил свою работу:

"Я не получил ничего от этой встречи. Я ничему не научился. Поскольку тут нет экспериментов, эта область не относится к активным, так что немногие из лучших людей трудятся в ней. В результате имеются толпы присосавшихся здесь ... и это не есть хорошо для моего кровяного давления. Напомни мне больше не ходить ни на какие гравитационные конференции."

Тем не менее, он сделал хороший прогресс и весьма прояснил техническую проблему, связанную с вероятностями, которые представляют собой числа между 0 и 1. Обо всем, что определенно происходит, говорят как об имеющем вероятность 1, так что вероятность того, что что-нибудь вообще произойдет, равна 1. До того, как Фейнман сделал свою работу, никто не мог сделать вероятности того, что различные вещи произойдут в квантовой гравитации, сходящимися к 1. На самом деле, Фейнман сделал вероятности сходящимися только на первом уровне приближения; несколькими годами позже Брюс ДеВитт понял, как сделать, чтобы это работало на всех уровнях. Годом или около того позже то же самое поняли двое русских, Людвиг Дмитриевич Фаддеев и Виктор Николаевич Попов. Они не могли знать работу ДеВитта, поскольку журнал послал его статью экспертам для отзыва, и рецензентам потребовалось больше года, чтобы внимательно изучить ее. Так кусочек за кусочком люди решали некоторые проблемы, – но, даже если вероятности могут быть сделаны сходящимися к 1, теория гравитона как целое никогда не работала.

Имелась некоторая сторона, свидетельствующая в пользу этого труда. Тот же метод мог быть применен к теориям Янга-Миллса, на которых была основана стандартная модель. Так что со временем Стивен Вайнберг и Абдус Салам использовали эти теории, чтобы объединить слабое и электромагнитное взаимодействия, технология использовалась вместо реальных вычислений. Результаты оказались лучше, чем в квантовой гравитации. Как, наконец, доказал в 1971 датский теоретик Герард т′Хоофт, теории Янга-Миллса являются полностью осмысленными как квантовые теории. На самом деле т′Хоофт, как и другие до него, изучал теорию Янга-Миллса отчасти для разогрева перед атакой на проблему квантовой гравитации. Так что тридцать лет работ над квантовой гравитацией не были полностью растраченными усилиями; по меньшей мере, это позволило нам сделать осмысленную физику частиц.

Но осталась неупокоенной сама квантовая гравитация. Люди использовали все сорта методов аппроксимации. Поскольку стандартная модель физики частиц была сделана осмысленной, для доказательства ее различных свойств было разработано много методов. Один за одним, каждый из них был применен к проблеме квантовой гравитации. Каждый потерпел неудачу. Не имеет значения, как вы организовали квантовую теорию гравитационных волн, как только вы принимаете за факт, что они взаимодействуют друг с другом, поднимают свою голову бесконечные величины. Не имеет значения, как вы обходили проблему стороной, бесконечности не укрощаются. Много лет работы, множество статей, множество диссертаций на звание доктора философии, множество презентаций на конференциях. Та же самая ситуация. Итог заключался в том, что к 1974 стало ясно, что зависимый от фона подход к объединению ОТО с квантовой теорией не имеет смысла.

Имелась, однако, одна вещь, которую можно было бы сделать с фоново-зависимыми методами. Вместо того, чтобы пытаться проквантовать гравитацию и, тем самым, понять влияние, которое квантовая теория имеет на гравитационные волны, мы могли бы перевернуть проблему и спросить, какое влияние гравитация может оказывать на квантовые явления. Чтобы сделать это, мы могли бы изучить движение квантовых частиц в пространствах-временах, где гравитация важна, таких как черные дыры или расширяющаяся вселенная. Начавшись в 1960х, в этом направлении был достигнут большой прогресс. Это важное направление, поскольку некоторые открытия приводят к загадкам, на решение которых направлены более поздние подходы, такие как теория струн.

Первым успехом было предсказание, что когда гравитационное поле быстро меняется во времени, должны рождаться элементарные частицы. Эта идея смогла быть применена к ранней вселенной, когда она быстро расширялась, и привела к предсказаниям, которые используются по сей день в изучении ранней вселенной.

Успех этих вычислений побудил нескольких физиков попытаться сделать нечто более тяжелое, которое заключалось в изучении влияния, которое черная дыра может оказывать на квантовые частицы или поля. Проблема здесь в том, что, хотя черные дыры имеют область, где геометрия очень быстро эволюционирует, эта область скрыта за горизонтом. Горизонт представляет собой саван для света, который стоит на месте. Он отмечает границу региона, в пределах которого весь свет втягивается вовнутрь, по направлению к центру черной дыры. Так что никакой свет не может спастись из-под горизонта. Снаружи черная дыра кажется статической, но именно внутри ее горизонта есть регион, по направлению к которому все втягивается все более и более сильными гравитационными полями. Они заканчиваются в сингулярности, где все бесконечно и время останавливается.

Первый значительный результат соединения квантовой теории с черными дырами был получен в 1973 Якобом Бекенштейном, молодым израильским аспирантом Джона Арчибальда Уилера в Принстоне. Он сделал ошеломляющее открытие, что черные дыры обладают энтропией. Энтропия есть мера беспорядка, и имеется известный закон, именуемый вторым законом термодинамики, устанавливающий, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшаться. Бекенштейн озаботился вопросом, что если он взял ящик, заполненный горячим газом, – который должен был иметь много энтропии, поскольку движение молекул газа было хаотическим и неупорядоченным, – и сбросил его в черную дыру, энтропия вселенной будет казаться уменьшившейся, поскольку газ никогда не сможет быть восстановленным. Чтобы сохранить второй закон, Бекенштейн предположил, что черная дыра должна сама иметь энтропию, которая должна была повыситься, когда на нее упал ящик газа, так что полная энтропия вселенной никогда не будет уменьшаться. Обработав несколько простых примеров, он смог показать, что энтропия черной дыры должна быть пропорциональна площади окружающего ее горизонта.

Это приводит к загадке. Энтропия есть мера хаотичности, а хаотическое движение есть теплота. Так что же, черная дыра должна иметь также и температуру? Годом позже, в 1974, Стивен Хокинг смог показать, что черная дыра на самом деле должна иметь температуру. Он также смог установить точный коэффициент пропорциональности между площадью горизонта черной дыры и ее энтропией.

Есть и другая сторона предсказанной Хокингом температуры черных дыр, которая будет важна для нас позднее, и которая заключается в том, что температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Это означает, что черные дыры ведут себя не так, как привычные объекты. Чтобы нагреть большинство вещей, вы должны подвести к ним энергию. Мы снабжаем огонь топливом. Черные дыры ведут себя противоположным образом. Если вы вводите в нее энергию или массу, вы делаете черную дыру более массивной – и она охлаждается.

Эта головоломка с тех пор бросает вызов каждой попытке создать квантовую теорию гравитации: как мы можем объяснить температуру и энтропию черных дыр из первых принципов? Бекенштейн и Хокинг трактовали черную дыру как классический фиксированный фон, внутри которого двигались квантовые частицы, и их аргументы базировались на состоятельности известных законов. Они не описывали черную дыру как квантовомеханическую систему, поскольку это может быть сделано только в квантовой теории пространства-времени. Так что для любой квантовой теории гравитации является вызовом необходимость дать более глубокое понимание энтропии Бекенштейна и температуры Хокинга.

В следующем году Хокинг нашел еще одну загадку, прятавшуюся в указанных результатах. Поскольку черная дыра имеет температуру, она будет излучать как горячее тело. Но излучение уносит энергию от черной дыры. После достаточного количества времени вся масса черной дыры перейдет в радиацию. Раз она теряет энергию, черная дыра становится легче. И вследствие только что обсужденного мной свойства, когда она теряет массу, она нагревается, так что излучает быстрее и быстрее. В конце этого процесса черная дыра уменьшится до планковской массы, и потребуется квантовая теория гравитации, чтобы предсказать окончательную судьбу черной дыры.

Но какова бы ни была ее окончательная судьба, возникает загадка относительно судьбы информации. В течение жизни черной дыры она втягивает гигантское количество вещества, переносящего гигантское количество внутренней информации. В конце же все, что останется, это много горячей радиации, – которая, будучи хаотичной, не переносит информации совсем, – и микроскопическая черная дыра. Информация просто исчезла?

Это проблема для квантовой гравитации, поскольку в квантовой механике имеется закон, который говорит, что информация никогда не может быть разрушена. Квантовое описание мира предполагается точным, а отсюда вытекает, что, когда все детали приняты во внимание, информация не может быть потеряна. Хокинг сделал сильное утверждение, что испаряющаяся черная дыра теряет информацию. Это кажется противоречащим квантовой теории, так что он назвал это утверждение информационным парадоксом черной дыры. Любая предполагаемая квантовая теория гравитации нуждается в его разрешении.

Эти открытия 1970х были контрольными точками на пути к квантовой теории гравитации. С тех пор мы измеряли успех подхода к квантовой гравитации частично тем, насколько хорошо он отвечает на заданные вопросы по энтропии, температуре и потере информации в черных дырах.

Примерно в это время была, наконец, предложена идея по поводу квантовой гравитации, которая, кажется, работает, по меньшей мере, временами. Она привлекла использование идеи суперсимметрии к гравитации. В результате появилась супергравитация.

Я присутствовал на одной из первых презентаций, когда-либо дававшихся по этой новой теории. Это была конференция в 1975 в Цинциннати по развитию ОТО. Я был все еще студентом в Хэмпширском колледже, но я ходил всюду, надеясь узнать, о чем люди думали. Я помню некоторые прекрасные лекции Роберта Героха из Чикагского университета, который был тогда звездой в области математики бесконечных пространств. Он получил продолжительные овации за одну особенно элегантную демонстрацию. Тогда же было задвинутое в самый конец коференции сообщение молодого постдока по имени Петер ван Ньювенхёйзен. Я вспоминаю, что он изрядно нервничал. Он начал со слов, что он находится здесь, чтобы ввести качественно новую теорию гравитации. Он полностью завладел моим вниманием.

Ван Ньювенхёйзен сказал, что эта новая теория основана на суперсимметрии, тогда новой еще идее по унификации бозонов и фермионов. Частицы, которые мы получаем из квантования гравитационных волн, называются гравитонами, и они являются бозонами. Но для суперсимметричной системы должны быть как бозоны, так и фермионы. ОТО не имеет фермионов, так что новые фермионы должны быть гипотетически суперпартнерами гравитонов. "Сгравитон" не легкое для произношения слово, так что они были названы гравитино.

Поскольку гравитино никогда не наблюдались, он сказал, что мы свободны в придумывании законов, которым они удовлетворяют. Для теории, которая симметрична относительно суперсимметрии, силы не должны изменяться, когда гравитино заменяются на гравитоны. Это устанавливает много ограничений на законы, и поиск решений с такими ограничениями требует недель кропотливых вычислений. Две команды исследователей финишировали почти одновременно. Ван Ньювенхёйзен был частью одной из этих команд; другая включала моего будущего консультанта в Гарварде Стэнли Дезера, который работал с одним из открывателей суперсимметрии, Бруно Зумино.

Ван Ньювенхёйзен также говорил о более глубоком способе подумать о теории. Мы начинаем с размышлений о симметриях пространства и времени. Свойства обычного пространства остаются неизменными, если мы вращаемся, поскольку в нем нет предпочтительного направления. Они также остаются неизменными, если мы движемся от места к месту, поскольку геометрия пространства однородна. Таким образом, трансляции и вращения являются симметриями пространства. Вспомним, что в главе 4 я объяснял калибровочный принцип, который устанавливает, что при некоторых обстоятельствах симметрия может диктовать законы, которым удовлетворяют силы. Вы можете применить этот принцип к симметриям пространства и времени. Результатом будет в точности ОТО Эйнштейна. Это не тот путь, каким Эйнштейн нашел свою теорию, но если бы Эйнштейна не существовало, этим путем ОТО могла бы быть найдена.

Ван Ньювенхёйзен объяснил, что суперсимметрия может рассматриваться как углубление симметрий пространства. Это происходит вследствие глубокого и красивого свойства: Если вы заменяете все фермионы на бозоны, а затем заменяете их назад, вы получаете тот же самый мир, который был до замены, но со всеми вещами, сдвинутыми на маленький кусочек в пространстве. Я не могу здесь объяснить, почему это верно, но это говорит нам, что суперсимметрия некоторым образом фундаментально связана с геометрией пространства. Как следствие, если вы примените калибровочный принцип к суперсимметрии, вы получите теорию гравитации – супергравитацию. С этой точки зрения супергравитация значительно глубже ОТО.

Я был новобранцем в этой области, заглянувшим на конференцию. Я не знал здесь никого, так что я не знал, что слушатели ван Ньювенхёйзена думают о том, что он сказал, но я был глубоко впечатлен. Я шел домой, думая, что это была хорошая вещь, что парень был таким взволнованным, ибо, если то, что он сказал, было верным, это должно быть на самом деле важным.

Во время моего первого года аспирантуры я, конечно, разговаривал со Стэнли Дезером, который читал лекции о новой теории супергравитации. Мне было интересно, и я начал думать о ней, но я был озадачен. Что это все означало? О чем это пыталось нам сказать? У меня появился новый друг, однокурсник по имени Мартин Рочек, он также был возбужден. Он быстро созвонился по телефону с Петером ван Ньювенхёйзеном, который пребывал в городе Стони Брук, Нью-Йорк, и начал сотрудничать с ним и его студентами. Стони Брук был недалеко, и Мартин взял меня с собой в один из визитов туда. Ситуация только начала набирать обороты, и он хотел дать мне шанс включиться в нее самого начала.

Это было, как если бы мне предложили одну их первых работ в Майкрософте или Гугле. Рочек, ван Ньювенхёйзен и многие из тех, с кем я встречался благодаря им, сделали блестящие карьеры на суперсимметрии и супергравитации.

Я согласен, что с их точки зрения я действовал как дурак и упустил великолепную возможность.

Для меня (и для других, с кем я согласен) соединение суперсимметрии и теории пространства и времени вызывает большие вопросы. Я изучал ОТО, читая Эйнштейна, и, если я что-нибудь понял, она о том, как эта теория соединяет гравитацию с геометрией пространства и времени. Эта идея проникла у меня до мозга костей. Теперь мне говорят, что другой глубокий аспект природы также объединяется с пространством и временем – факт, что имеются фермионы и бозоны. Мои друзья говорили мне это, и уравнения говорят то же самое. Но ни друзья, ни уравнения не говорят мне, что это означает. У меня отсутствует идея, концепция вещи. Нечто в моем понимании пространства и времени, гравитации и того, что означает быть фермионом или бозоном, должно углубиться в результате этой унификации. Это должна быть не просто математика – сама моя концепция природы должна измениться.

Но она не меняется. Что я нашел, когда я болтался со студентами ван Ньювенхёйзена, это группу умных, технически аккуратных ребят, яростно проводивших вычисления, днем и ночью. То, что они делали, было придумыванием версий супергравитации. Каждая версия имела больше симметрий, чем последняя, унифицируя большее семейство частиц. Они двигались по направлению к окончательной теории, которая объединила бы все частицы и силы с пространством и временем. Эта теория имеет только техническое название, теория N = 8. N означает число различных способов перепутывания фермионов и бозонов. Первая теория – та, с которой ван Ньювенхёйзен и Дезер меня познакомили, – была простейшая, N = 1. Некоторые люди в Европе работали над N = 2. Неделю, что я был в Стони Брук, люди там двигались к N = 4 на своем пути к N = 8.

Они работали день и ночь, откладывая прием пищи и мирясь со скукой работы, с эйфористичной уверенностью, что они находятся рядом с чем-то новым, что изменит мир. Один из них говорил мне, что он работал так быстро, как только мог, поскольку он был уверен, что, когда было произнесено слово о том, насколько легко делать новые теории, область должна была быть заполнена. В самом деле, если я правильно помню, эта группа достигла N = 4, но они хотели сорвать куш в N = 8.