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

То, что они делали, не было легким для меня. Вычисления были головоломными, растянутыми и утомительными. Они требовали полной точности. Если где-нибудь терялся множитель 2, недели труда можно было выбрасывать. Каждая строчка расчетов имела дюжины членов. Чтобы уместить строчку расчетов на странице, они прибегали ко все большим и большим листам бумаги. Скоро они носили с собой гигантские папки, которые используют художники, самые большие, какие они смогли найти. Они покрывали каждый лист мелкими, аккуратными рукописями. Каждая папка представляла месяцы работы. Приходило на ум слово "монашеский". Я был в ужасе. Я выдержал неделю и сбежал.

В течение десятилетий после этого я имел несколько некомфортные отношения с Петером, Мартином и другими. Может быть, я рассматривался как неудачник, ибо убежал, когда они предложили мне благоприятную возможность присоединиться к ним в запуске супергравитации. Если бы я присоединился, я мог бы хорошо устроиться, чтобы стать одним из лидеров струнной теории. Вместо этого я ушел в моем собственном направлении, в итоге помогая в поиске иных подходов к квантовой гравитации. Это даже ухудшило ситуацию: я был не только неудачником, который покинул правоверных, я был неудачником с опасностью стать конкурентом.

Когда я размышляю о научных карьерах людей, которых я знал эти последние тридцать лет, мне кажется все больше и больше, что решения об этих карьерах зависят от характера. Некоторые люди успешно набрасываются на следующее большое дело, отдавая ему все, что имеют, и, таким образом, делают важные вклады в быстро развивающиеся области. Другие просто не имеют темперамента, чтобы сделать это. Некоторым людям нужно все очень тщательно обдумать, а это требует времени, так что они легко сбиваются с толку. Не трудно почувствовать превосходство над такими людьми, пока вы не вспомните, что Эйнштейн был одним из них. По моему опыту, по-настоящему поразительные новые идеи и инновации имеют тенденцию исходить от таких людей. Кроме того, другие – и я принадлежу к этой третьей группе – просто следуют своему собственному пути, и не будут покидать свои области без лучшей причины, чем то, что их задевает, что некоторые люди присоединяются, потому что хорошо чувствуют себя на побеждающей стороне. Так что я больше не беспокоюсь, когда я не согласен с тем, что делают другие люди, поскольку я вижу, что темперамент в большой степени определяет, каким видом науки они будут заниматься. К счастью для науки, необходимы вклады всего диапазона типов участников. Я пришел к мысли, что те, кто делает хорошую науку, делают ее потому, что они выбирают подходящие для себя проблемы.

В любом случае, я покинул группу супергравитации в Стони Бруке, но я не потерял интереса к супергравитации. Напротив, я заинтересован больше, чем когда-либо. Я уверен, что они двигались к чему-то, но выбранная ими дорога была не той, по которой я мог бы следовать. Я понял эйнштейновскую ОТО, что означает, что я знал, как продемонстрировать любое ее существенное свойство на страничке или менее краткой и прозрачной работы. Мне кажется, что если вы поняли теорию, то, чтобы отметить ее основные свойства, не должно требоваться недель расчетов на художественном планшете.

Я объединился с другим аспирантом – моим другом из Хэмпширского колледжа Джоном Деллом, который был в университете Мэриленда. Мы хотели понять более глубоко, как получается, что суперсимметрия является частью геометрии пространства и времени. Он нашел некоторые статьи математика по имени Бертрам Костант по новому виду геометрии, который расширял математику Эйнштейна, используя добавление новых свойств, которые, казалось, вели себя немного похоже на фермионы. Мы записали уравнения ОТО в этом новом контексте, и неожиданно появились некоторые уравнения супергравитации. Мы получили нашу первую научную статью.

Примерно в то же время другие разработали альтернативный подход к геометрии для супергравитации, названный супергеометрией. Я тогда почувствовал (и чувствую сейчас), что их схема более громоздкая, чем наша. Она намного более сложна, но в определенных вещах она работает намного лучше. Это помогло отчасти упростить вычисления, и это определенно было оценено. Так что супергеометрия осталась, а наша работа была забыта. Ни Джон, ни я не беспокоились, поскольку ни один подход не давал нам того, чего мы искали. Несмотря на то, что математика работала, она не приводила ни к какому концептуальному скачку. До настоящего дня я не думаю, что кто-нибудь по-настоящему понимает, что означает супергравитация, чего фундаментального она говорит о природе, – если она верна.

Много лет спустя я думаю, что я, наконец, могу полностью выразить, что в те ранние дни увело меня прочь от супергравитации. Изучая физику через штудирование Эйнштейна в оригинале, я получил представление о способе размышлений, который приводил к революционным новым унификациям физики. Я ожидал, что новая унификация начинается с глубокого принципа, подобного принципу инерции или принципу эквивалентности. Вы должны будете извлечь из него глубокое и удивительное прозрение, что две вещи, которые вы некогда рассматривали как несвязанные, на самом деле по существу являются одной вещью. Энергия есть масса. Движение и покой неразличимы. Ускорение и гравитация одно и то же.

Супергравитация этого не делает. Хотя она на самом деле является предложением новой унификации, она из тех вещей, которые могут быть выражены и зафиксированы только через головоломные скучные расчеты. Я могу работать с математикой, но это не тот путь, по которому я учился делать науку через мои чтения Эйнштейна и других мастеров.

Другой друг, которого я приобрел в это время, был Келлог Штелле, который был на несколько лет старше меня и, как и я, был студентом Стэнли Дезера. Вместе они проанализировали вопрос, будет ли супергравитация вести себя лучше, чем ОТО, при объединении с квантовой теорией. Поскольку еще не было прогресса в независимых от фона методах, они, как и любые другие, использовали зависимый от фона метод, который так прискорбно потерпел неудачу, когда его применили к ОТО. Они быстро смогли увидеть, что он работает лучше, когда его применили к супергравитации. Они отметили первое место, где в квантовой ОТО появляется бесконечность, и нашли вместо нее конечное число.

Это были хорошие новости: суперсимметрия на самом деле улучшила ситуацию! Но эйфория продолжалась не долго. Дезеру и Штелле потребовалось еще только несколько месяцев, чтобы убедиться, что бесконечности в супергравитации возникают в большом количестве в том же направлении. Реальные расчеты были слишком сложны, чтобы их проделать даже после месяцев труда на художественных планшетах, но они нашли способ проверить, будут ли результаты, в конечном счете, конечными или бесконечными, и оказалось, что все ответы, более точные, чем те, которые они смогли получить – и которые оказались конечными, – должны быть бесконечными.

Однако, они еще не протестировали в этом же ключе все другие формы супергравитации. Возможно, одна из них в конечном счете дала бы последовательную квантовую теорию. Шаг за шагом каждая форма была изучена. Каждая из них была на немного более конечной, так что вы смогли уйти дальше в последовательности приближений, пока проверка не закончилась неудачей. Хотя все расчеты были слишком тяжелы для исполнения, казалось, нет оснований для любого другого ответа, кроме того, что бесконечная часть имеет место. Была слабая надежда, что конечная теория, известная N = 8, будет отличаться. Она, наконец, была сконструирована героическими усилиями, предпринятыми в Париже. Но она тоже не прошла тест – хотя для нее еще сохраняется некоторая надежда.

Супергравитация была и остается поразительной теорией. Но сама по себе она не достаточна, чтобы решить проблему квантовой гравитации. Таким образом, к началу 1980х прогресса в создании теории квантовой гравитации не было. Все, что было проверено, вплоть до супергравитации включительно, потерпело неудачу. В то время как калибровочные теории торжествовали, область квантовой гравитации пребывала в застое. Те немногие из нас, кто настаивал на беспокойстве по поводу квантовой гравитации, чувствовали себя подобно выпускнику средней школы, приглашенному понаблюдать, как его сестра выпускается из Гарварда с одновременными степенями по медицине, нейробиологии и истории танца в античной Индии.

Если неудача супергравитации в попытке привести к хорошей теории квантовой гравитации и подавила нас, тем не менее, она также была освобождающей. Все легкие вещи были проверены. За десятилетия мы попытались построить теорию через расширение методов Фейнмана и его друзей. Теперь осталось попытаться сделать только две вещи: Отбросить методы, базирующиеся на фиксированной фоновой геометрии, или отбросить идею, что вещи, двигающиеся через фоновую геометрию, являются частицами. Оба подхода были исследованы, и оба достигли – на первых порах – впечатляющих успехов на дороге к квантовой гравитации.

II. Краткая история теории струн

7. Подготовка к революции

Временами научный прогресс застревает, когда мы сталкиваемся с проблемой, которая просто не может быть решена на том пути, как мы ее понимаем. Имеется потерянный элемент, связанный с другим видом ухищрений. Не имеет значения, насколько тяжело мы работаем, мы не можем найти ответа, пока кто-то как-то не споткнется об эту потерянную связь.

Вероятно, первое время такое происходило с затмениями. Зафиксировав драму внезапного потемнения неба, первый способ действий ранних астрономов должен был заключаться в поиске пути предсказания таких устрашающих событий. Начиная с нескольких тысяч лет назад, люди начали собирать записи о наблюдениях затмений вместе с движениями Солнца, Луны и планет. Им долго не удавалось понять, что движение Солнца и Луны является периодическим; мы имеем доказательства, что люди знали это еще в наши пещерные времена. Но затмения оказались сложнее.

Для ранних астрономов должно было быть ясно несколько вещей. Затмения происходят, когда Солнце и Луна, которые имеют различные пути по небу, встречаются друг с другом. Их пути перекрещиваются в двух местах. Чтобы произошло затмение, Солнце и Луна должны встретиться в одной из этих двух точек. Так что для предсказания затмений вы должны получить годовой путь Солнца и ежемесячный путь Луны. Просто проследите за путями и отметьте, когда два тела встречаются. В результате должен быть рисунок, который повторяется с некоторым многократным лунным периодом в двадцать девять с половиной дней.

Но эта простая идея не работает: затмения не попадают в образец, подчиняющийся точно лунному месяцу. Мы можем легко представить поколения теорий, которые проверялись и терпели неудачу в попытке согласовать движения этих двух великих тел. Это должна была быть столь же великая загадка, как и согласование ОТО с квантовой теорией для нас.

Мы не знаем, кто понял, что тут имеется потерянный элемент, но, кто бы это ни был, мы в великом долгу перед ним. Мы можем представить астронома, возможно, в Вавилоне или древнем Египте, внезапно осознавшего, что тут имеется не только два периодических движения, которые надо рассматривать, но три. Возможно, это был мудрец, который после десятилетий изучения чувствовал данные сердцем. Возможно, это был некий молодой бунтарь, которому еще не промыли мозги в направлении мыслей, что вы должны объяснять то, что было увидено, только в терминах наблюдаемых объектов. Как бы то ни было, этот новатор открыл загадочное третье колебание в данных, возникающее не раз в месяц или раз в год, а примерно каждые восемнадцать и две третьих года. Оказалось, что точки, где два пути пересекаются в небе, не фиксированы: они вращаются так, чтобы за указанные восемнадцать с небольшим лет сделать полный цикл.

Открытие этого третьего движения – потерянного элемента – должно было быть одним из самых ранних триумфов абстрактного мышления. Мы видим два объекта, Солнце и Луну. Каждый имеет период, известный с самых ранних времен. Должен состояться акт воображения, чтобы увидеть, что кое-что еще тоже движется: сами пути. Это был глубокий шаг, поскольку он требовал осознания, что за наблюдаемыми вами движениями есть другие движения, чье существование может быть выведено только дедуктивным путем. С тех пор наука только несколько раз прогрессировала путем открытия такого потерянного элемента.

Идея, что элементарные частицы не являются точечными частицами, но колебаниями струн, может служить другим примером таких редких прозрений. Она обеспечивает правдоподобный ответ на некоторые большие проблемы физики. Если это верно, это столь же сильное постижение, как и древнее открытие, что орбиты, по которым путешествуют планеты, сами двигаются.

Изобретение теории струн было названо научной революцией, но она долгое время находилась в становлении. Как и в некоторых политических революциях, – но отличаясь от научных революций прошлого, – революция теории струн была предвосхищена небольшим авангардом, который годы работал в относительной изоляции. Они начали в конце 1960х с анализа, что происходит, когда сильно взаимодействующие частицы – что означает, частицы, сделанные из кварков, такие как протоны и нейтроны, и потому управляемые сильным ядерным взаимодействием, – рассеиваются друг на друге. Это не одна из пяти проблем (см. главу 1), поскольку она в настоящее время понята, по крайней мере, в принципе, в терминах стандартной модели. Но перед тем, как стандартная модель была изобретена, это была центральная проблема для теоретиков, работающих с элементарными частицами.

Кроме протонов и нейтронов имеется великое множество других частиц, сделанных из кварков. Эти другие частицы нестабильны; они производятся на ускорителях путем сталкивания пучка протонов высокой энергии с другими протонами. С 1930х по 1960е мы собрали большое количество данных о различных видах сильно взаимодействующих частиц и о том, что происходит, когда два из них сталкиваются.

В 1968 молодой итальянский физик по имени Габриэле Венециано увидел интересную структуру в данных. Он описал структуру, найдя формулу, которая описывает вероятности рассеяния для двух частиц друг на друге под разными углами. Формула Венециано замечательно соответствовала некоторым данным.

Это вызвало интерес у некоторых из его коллег в Европе и Соединенных Штатах, которые ломали над этим голову. К 1970 некоторые из них смогли интерпретировать это в терминах физической картины. В соответствии с этой картиной частицы не должны рассматриваться как точки, как это всегда рассматривалось ранее. Вместо этого, они были "струноподобными", существуя только в одном измерении, и они могли растягиваться как резиновые ленты. Когда им добавляли энергию, они растягивались; когда они отдавали энергию, они сжимались – также подобно резиновым лентам. И, как и резиновые ленты, они вибрировали.

Формула Венециано, таким образом, открыла дверь в мир, в котором сильно взаимодействующие частицы все были резиновыми лентами, колеблющимися в процессе их движения, сталкивающимися друг с другом и изменяющими энергию. Различные состояния колебаний должны были соответствовать различным видам частиц, производимых в экспериментах по столкновению протонов.

Эта интерпретация формулы Венециано была независимо разработана Йоихиро Намбу в университете Чикаго, Хольгером Нильсеном в Институте Нильса Бора и Леонардом Сасскайндом, в настоящее время работающем в Стэнфордском университете. Каждый думал, что он открыл нечто восхитительное, но их труд вызвал незначительный интерес. Сасскайнд получил от Physical Review Letters отказ с замечанием, что это прозрение недостаточно важное для публикации. Как он позднее определил это в интервью: "Бум! Я чувствовал себя так, как будто я получил удар урной по голове, и я был очень, очень глубоко расстроен."

Но несколько людей получили эту информацию и начали работать над той же интерпретацией. Возможно, более аккуратным было бы назвать получившийся набор идей теорией резиновых лент. Но, поскольку это нуждалось в определенном статусе, это стало рождением теории струн.

Как теория сильно взаимодействующих частиц теория струн со временем была вытеснена стандартной моделью. Но это не означало, что струнные теоретики ошибались; фактически, сильно взаимодействующие частицы ведут себя часто как струны. Как обсуждалось в главе 4, силы между кварками сейчас описываются более фундаментально калибровочным полем, а основополагающий закон, кажется, дается квантовой хромодинамикой, или КХД, которая является частью стандартной модели. Но при некоторых обстоятельствах результат может быть описан, как если бы между кварками были резиновые ленты. Это происходит потому, что сильное взаимодействие очень не похоже на электромагнитное. Тогда как электромагнитная сила становится слабее с расстоянием, сила между двумя кварками примерно постоянна по величине, когда мы растаскиваем два кварка в стороны, и затем остается постоянной независимо от того, как далеко мы их после этого растащили. В этом причина того, почему мы никогда не видим свободные кварки в экспериментах на ускорителях, а только частицы, сделанные из связанных кварков. Однако, когда кварки очень близки друг к другу, сила между ними ослабевает. Это важно. Струнная картина (или картина резиновых лент) работает только тогда, когда кварки находятся на существенном расстоянии друг от друга.