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

Тем временем, Джон Шварц потерял должность в Принстоне в 1972, несмотря на его фундаментальный вклад в теорию струн. Затем он переместился в Калтех, где он в течение следующих двенадцати лет был ассоциированным исследователем, поддерживаемым временными фондами, которые периодически обновлялись. Он не преподавал, если он не хотел этого, – но также и не имел должности. Он открыл первую хорошую идею о том, как гравитация и другие силы могут быть объединены, но, видимо, Калтех остался не убежденным в том, что он подходит для постоянного профессорско-преподавательского состава.

Нет сомнений, что первые изобретатели теории струн были плохо вознаграждены за свои пионерские открытия. Чтобы разобраться, что это за люди, читатель должен понять, что это означает в реальных терминах. Друзья, с которыми вы шли в аспирантуру, являются сейчас полными профессорами с должностью. Они имеют хорошие оклады, гарантированную занятость, они легко обеспечивают семьи. Они имеют положения с высоким статусом в элитных институтах. Вы не имеете ничего. В лучшем случае вы знаете, что они выбрали легкую дорогу, в то время как вы сделали кое-что потенциально намного более важное, что потребовало намного больше творчества и мужества. Они следовали за стадом и делали то, что было модным; вы открыли целый новый вид теории. Но вы все еще постдок, или ассоциированный исследователь или младший профессор. У вас нет гарантированной на долгий срок занятости и неопределенные перспективы. И еще вы можете быть более активны как ученый, – публикуя больше статей и сопровождая больше студентов, – чем другие люди, чей труд в менее рискованном направлении был вознагражден большей защищенностью.

Теперь, читатель, спросите себя, что бы вы стали делать в этой ситуации.

Джон Шварц не оставил работу над теорией струн, и он продолжил открывать доказательство, что она могла бы быть хорошей объединяющей теорией физики. Хотя он еще не обеспечил, чтобы теория была математически последовательна, он был уверен, что ему осталось немного до этого. ( Теория математически последовательна, если она никогда не дает два результата, которые противоречат друг другу. Связанное с этим требование заключается в том, что все физические свойства теория описывает, используя конечные числа) Когда первые струнные теоретики сталкивались даже с грозными препятствиями, они могли вдохновляться, думая обо всех загадках, которые будут решены, если элементарные частицы являются колебаниями струн. Имеется прелестный впечатляющий список:

1. Теория струн дает нам автоматическое объединение всех элементарных частиц, а также объединяет одни силы с другими. Все происходит из колебаний одного фундаментального вида объектов.

2. Теория струн автоматически дает нам калибровочные поля, которые отвечают за электромагнетизм и ядерные силы. Они естественным образом возникают из колебаний открытых струн.

3.Теория струн автоматически дает нам гравитоны, которые происходят из колебаний замкнутых струн, а любая квантовая теория струн должна содержать замкнутые струны. Как следствие, мы бесплатно получаем автоматическое объединение гравитации с другими силами.

4. Суперсимметричная теория струн объединяет бозоны и фермионы, причем как те, так и другие являются просто колебаниями струн, так что все силы объединяются со всеми частицами.

Более того, хотя суперсимметрия может быть верной, даже если теория струн не верна, теория струн обеспечивает намного более естественный дом для суперсимметрии, чем обычные теории частиц. В то время, как суперсимметричные версии стандартной модели были уродливы и сложны, суперсимметричные теории струн являются очень элегантнами объектами.

И, как вершина всего, теория струн без усилий доводит до конца естественное объединение законов движения с законами, которые управляют силами.

Затем имеется мечта, которую теория струн, кажется, делает возможной. Вся стандартная модель с ее двенадцатью видами кварков и лептонов и с тремя силами, плюс гравитация, может быть унифицирована в том смысле, что все эти явления возникают из колебаний струн протянутых в пространстве-времени, следуя простейшему из возможных законов: что площадь минимизируется. Все константы стандартной модели могут быть сведены к комбинации ньютоновской гравитационной константы и одного единственного числа, которое является для струны вероятностью распасться на две или соединиться. И второе число даже является не фундаментальным, а свойством окружения.

Установив, что теория струн так много обещает, не удивительно, что Шварц и его несколько сотрудников были убеждены, что она должна быть верной. Если рассматривать проблему объединения, ни одна другая теория не предлагала так много на основе единственной простой идеи. Перед лицом таких перспектив оставалось только два вопроса: это работает? И сколько это стоит?

В 1983, когда я все еще был постдоком в Институте перспективных исследований в Принстоне, Джон Шварц был приглашен дать две лекции по теории струн в Принстонском университете. Я до того момента не слышал много о теории струн, и что я вспоминаю из его семинара, так это, большей частью, сильную и критическую реакцию аудитории, поддерживаемую в равной степени интересом и скептицизмом. Эдвард Виттен, уже влиятельная фигура в физике элементарных частиц, часто прерывал Шварца, задавая серии настойчивых, тяжелых вопросов. Я воспринимал это как индикатор скептицизма; только позже я увидел, что это было свидетельством сильного интереса к предмету. Шварц был уверенным в себе, но имелся намек на упрямство. Я получил впечатление, что он провел много лет, пытаясь передать другим свое возбуждение по поводу теории струн. Это убедительно сказало мне, что Шварц был мужественным ученым, но это не склонило меня к работе над теорией струн. В то время все, кого я знал, проигнорировали новую теорию и сохранили в прежнем положении свои разные проекты. Немногие их нас поняли, что мы доживали последние дни той физики, какой мы ее всегда знали.

8. Первая суперструнная революция

Первая суперструнная революция имела место в конце 1984. Название ее революцией звучит немного претенциозно, но термин подходящий. За шесть месяцев до этого только горстка бесстрашных физиков работали в теории струн. Они игнорировались всеми, кроме немногочисленных коллег. Как говорит об этом Джон Шварц, он и новый сотрудник, английский физик Майкл Грин, "опубликовали довольно много статей, и в каждом случае я был совершенно возбужден результатами. ... В каждом случае мы чувствовали, что люди должны теперь заинтересоваться, поскольку они смогут увидеть, насколько возбуждающей является тема. Но, однако, реакции опять не было." Шесть месяцев спустя некоторые самые шумные критики теории струн начали над ней работать. В новой атмосфере стало мужеством не забросить то, чем вы занимались, и не последовать за ними.

Поворотным пунктом стал расчет, проведенный Шварцем и Грином и обеспечивший строгое доказательство того, что теория струн является конечной и последовательной теорией. Чуть более точно, им в конце концов удалось успешно показать, что определенные опасные патологии, беспокоящие многие единые теории и называющиеся аномалиями, отсутствовали в суперсимметричной теории струн, по меньшей мере, в десяти пространственных измерениях. Я вспоминаю, что реакция на эту статью была как шоком, так и ликованием: шок потому, что некоторые люди сомневались, что теория струн сможет когда-либо быть согласованной с квантовой механикой на любом уровне; ликование потому, что, показав ошибочность таких сомнений, Грин и Шварц открыли возможность того, что конечная теория, объединяющая физику, находится в наших руках.

Ни одно изменение не могло бы произойти быстрее. Как вспоминает об этом Шварц,

Прежде чем мы даже завершили записывать это, мы получили телефонный звонок от Эда Виттена, сказавшего, что он слышал, ... что мы получили результат, уничтожающий аномалии. И он попросил, не могли бы мы показать ему наш труд. Так как у нас был черновик нашей рукописи по этому вопросу, мы послали его ему через FedEx (FedEx Corporation – оперирующая во всём мире американская компания, предоставляющая почтовые, курьерские и другие услуги логистики. – (прим. перев). Тогда еще не было e-mail, но FedEx существовала. Так что мы послали труд ему, и он получил его на следующий день. И нам говорили, что на следующий день каждый в Принстонском университете и в Институте перспективных исследований, все физики-теоретики, а там их было большое количество, работали над этим. ... Так что за ночь это стало главной индустрией [смех], по крайней мере, в Принстоне – и очень скоро в остальном мире. В этом был элемент странности, так как мы так много лет публиковали наши результаты и никого это не заботило. Теперь же внезапно каждый оказался чрезвычайно заинтересованным. Это был переход из одной крайности в другую: из крайности, когда никто не принимал тему всерьез, в другую крайность ... .

Теория струн пообещала то, что ни одна другая теория до того не могла – квантовую теорию гравитации, которая также является истинным объединением сил и вещества. Она одним смелым и красивым ударом смогла предложить решение, по меньшей мере, трех из пяти великих проблем теоретической физики. Таким образом, неожиданно после многих неудач мы обнаружили золото. (Шварц, это забавно отметить, быстро продвинулся от старшего участника исследований до полного профессора в Калтехе.)

Томас Кун в своей известной книге Структура научных революций предложил нам новый способ размышлений о событиях в истории науки, о которых мы думаем как о революциях. Согласно Куну научная революция предваряется накоплением экспериментальных аномалий. В результате люди начинают задавать вопросы к установленной теории. Некоторые изобретают альтернативные теории. Революция достигает пика в экспериментальных результатах, которые поддерживают одну из новых альтернатив по сравнению со старой установленной теорией. Можно оспорить описание науки Куна, и я это сделаю в заключительной части книги. Но, поскольку он описал, что происходило в некоторых случаях, это служит удобной точкой для сравнения.

События 1984 не следуют структуре Куна. Никогда не было установленной теории, которая обращалась бы к проблемам, к которым обращается теория струн. Не было экспериментальных аномалий; стандартная модель физики частиц и ОТО совместно были достаточными, чтобы объяснить результаты всех экспериментов, сделанных до того времени. Даже при этих условиях, как можно было не назвать это революцией? Неожиданно у нас оказался хороший кандидат на конечную теорию, которая могла бы объяснить вселенную и наше место в ней.

В течение четырех или пяти лет после суперструнной революции 1984 был большой прогресс, и интерес к теории струн быстро рос. Это была самая горячая игра в городе (Ссылка на старую шутку, часто встречающаяся у американских авторов: Один парень, страдавший игровой зависимостью, каждый вечер проигрывал последнюю рубашку в покер. Кто-то однажды сказал ему, что эта игра – сплошной обман, она доведёт парня до богадельни. На что он обречённо ответил: "Я знаю, знаю. Но это единственная игра в городе". – (прим. перев.)). Те, кто пошел в нее, активно начал эту деятельность с амбициями и гордостью. Имелось много технических инструментов для изучения, так что, чтобы работать в теории струн, необходимо было потратить от нескольких месяцев до года, что является большим сроком для физика-теоретика. Те, кто сделал это, смотрели сверху вниз на тех, кто не стал или (намек всегда был здесь) не смог. Очень быстро выработалась почти культовая атмосфера. Вы или были струнным теоретиком, или нет. Некоторые из нас пытались сохранить подход с точки зрения здравого смысла: Есть интересная идея; я буду над ней немного работать, но я также буду заниматься другими направлениями. Было тяжело сдержать такое слово, поскольку те, кто впрыгнул, больше не интересовались разговорами с теми из нас, кто не объявил себя частью новой волны.

Как приличествует новой области, немедленно возникли академические конференции по теории струн. Они проходили в атмосфере триумфального празднования. Было ощущение, что открыта правильная теория номер один. Ничто другое было не важно и не достойно размышлений о нем. Семинары, посвященные струнной теории, возникли во многих из главных университетов и исследовательских институтов. В Гарварде семинар по струнной теории был назван Семинаром Физики Будущего.

Это название не имело иронического смысла. Одна из вещей, которая редко обсуждалась на семинарах и конференциях по теории струн, была как проверить теорию экспериментально. Хотя несколько людей беспокоились по этому поводу, были другие, кто думал, что это не является необходимым. Было ощущение, что может быть только она последовательная теория, которая объединяет всю физику, и, поскольку теория струн казалась таковой, она должна была быть верной. Больше нет надежды на эксперимент, чтобы проверить наши теории. Это все хлам Галилея. Математики отныне достаточно, чтобы объяснить законы природы. Мы вошли в период физики будущего.

Очень быстро физики поняли, что теория струн, тем не менее, не является однозначной теорией. Вместо единственной последовательной теории мы скоро открыли, что имеется пять последовательных теорий суперструн в десятимерном пространстве-времени. Это вызвало проблему, которая не поддавалась решению в течение следующих десяти лет или около того. Однако, это была не совсем плохая новость. Вспомним, что теория Калуцы-Кляйна имела фатальную проблему: что вселенные, которые она описывает, являются слишком симметричными, не согласуясь с фактом, что природа и ее отражение в зеркале не одинаковы. Некоторые из пяти суперструнных теорий оказались в состоянии избежать такой судьбы и описывали столь же асимметричные миры, как и наш собственный. И имелось дальнейшее развитие, которое подтверждало, что теория струн является конечной (что означает, что она должна давать только конечные числа в качестве предсказаний результатов любого эксперимента). В бозонных струнах, без фермионов, легко показать, что не имеется бесконечных выражений, аналогичных имеющимся в теории гравитонов, но когда вы вычисляете вероятности с большей степенью точности, бесконечности могут возникнуть, что связано с нестабильностью тахионов. Поскольку суперструны тахионов не имеют, это повышает возможность, что теория не имеет бесконечностей.

Это было легко проверить в низшем порядке приближения. За его пределами имелись интуитивные аргументы, что теория должна быть конечной в любом порядке приближения. Я вспоминаю видного струнного теоретика, который сказал, что это настолько очевидно, что теория струн конечна, что он не будет изучать доказательства, даже если они есть. Но некоторые люди стремились обеспечить конечность теории струн за пределами низшего приближения. Наконец, в 1992 Стэнли Мандельштам, высоко уважаемый математический физик в Беркли, опубликовал статью, которая полагала, что доказала, что суперструнные теории конечны во всех порядках определенной аппроксимационной схемы.

Не удивительно, что люди были столь оптимистичны. Обещания теории струн намного превосходили все, что до того времени предлагала любая из единых теорий. В то же время, мы могли видеть, что остается пройти еще длинный путь до выполнения всех ее обещаний. Например, рассмотрим проблему объяснения констант стандартной модели. Теория струн, как отмечалось в последней главе, имеет только одну константу, которая может быть подогнана руками. Если теория струн верна, двадцать констант стандартной модели должны быть объяснены в терминах этой одной константы. Это было бы безусловно изумительно, если бы все эти константы можно было бы рассчитать как функции единственной константы теории струн – это был бы триумф, более великий, чем любой другой в истории физики. Но мы еще этого не достигли.

Кроме этого, был вопрос, который, как обсуждалось ранее, всегда должен задаваться единым теориям. Как должны объясняться видимые отличия между унифицированными частицами и силами? Теория струн объединяет все частицы и силы, что означает, она должна также объяснить нам, почему они различаются.

Итак, как это всегда бывает, все свелось к деталям. Это на самом деле работает, или имеются сноски мелким шрифтом, которые уменьшают чудо? Если это работает, как на самом деле такая простая теория объясняет так много? Что мы должны думать о природе, если теория струн верна? Во всяком случае, что мы потеряли по пути?

Когда я узнал о теории больше, я начал думать о предлагаемых ею проблемах как об очень похожих на те, с которыми мы сталкиваемся, когда покупаем новый автомобиль. Вы идете к дилеру со списком опций, которые вы хотите. Дилер рад продать вам автомобиль с такими опциями. Показывает несколько моделей. После некоторого времени вы осознаете, что каждый автомобиль, который был вам показан, имеет некоторые опции, которых нет в вашем списке. Вы хотели противоблокирующее устройство тормозной системы и по-настоящему хорошую аудиосистему с CD-проигрывателем. Автомобили наряду с этим имеют также люк в крыше, причудливые хромированные бамперы, титановые колпаки ступиц, восемь держателей для стаканов и сделанные на заказ гоночные полосы.