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

Это типично для того, что мы узнали о теории струн во время второй суперструнной революции. Наше понимание сильно расширилось, следуя набору очаровательных, непредсказуемых результатов. Они дали дразнящие подсказки о том, что может быть верным, если можно было бы только заглянуть за всегда существующие покровы и увидеть реальные вещи. Мы старались, как могли, но многие расчеты, которые мы хотели проделать, остались недостижимыми. Чтобы получить любой результат, мы выбирали специальные примеры и условия. Во многих примерах мы так и остались в неведении, дали ли расчеты, который мы смогли проделать, те результаты, которые были бы правильным руководством к общей ситуации, или нет.

Я лично нахожу эту ситуацию очень разочаровывающей. Мы или сделали быстрый прогресс в направлении теории всего, или мы погнались за несбыточным, неразумно переинтерпретируя результаты, всегда принимая самое оптимистичное прочтение расчетов, которые мы оказались в состоянии проделать. Когда я жаловался на это некоторым из лидеров теории струн в середине 1990х, я не ощущал беспокойства, просто теория казалась умнее нас. Мы не можем, как я считал, непосредственно задать теории вопросы и дождаться ответов. Любая прямая попытка решить большие проблемы была связана с неудачей. Вместо этого, мы должны были доверять теории и следовать ей, довольствуясь рассмотрением той ее части, которая была готова к обнаружению с использованием наших несовершенных методов расчетов.

Имеется только одна загвоздка. Подлинная квантовая версия М-теории должна быть независимой от фона по той же причине, по которой независимой от фона должна быть любая квантовая теория гравитации. Но в добавление к аргументам, которые я растолковывал ранее, М-теория должна быть независимой от фона, поскольку пять суперструнных теорий со всем их различными многообразиями и геометриями предполагаются частью М-теории. Она включает все различные способы, по которым геометрии могли быть скручены во всех пространственных измерениях от единицы до десяти. Все эти геометрии обеспечивают фоны для движения струн и бран. Но если они являются частью одной единой теории, эта теория не может быть построена ни на одном фоне, поскольку она должна охватывать все фоны.

Тогда ключевая проблема в М-теории заключается в создании ее формулировки, которая согласуется с квантовой теорией и фоновой независимостью. Это важная проблема, вероятно, самый важный открытый вопрос в теории струн. К сожалению, на этом пути был сделан незначительный прогресс. Были некоторые очаровательные подсказки, но мы все еще не знаем, что такое М-теория или имеется ли любая теория, достойная имени.

Был некоторый прогресс в подходе к квантово-механической М-теории, но, опять, на особом фоне. Это была попытка сделать квантовую теорию одиннадцатимерной мембранной теории, еще в 1980х. Три европейских физика, Бернар де Вит, Йенс Хоппе и Герман Николаи, нашли, что можно было бы применить трюк, в котором мембрана представляется двумерной таблицей или массивом чисел – называемым математиками матрицей. Их формулировка требовала, чтобы было девять таких таблиц, и из нее они получили теорию, которая аппроксимировала поведение мембраны.

Де Вит и его коллеги нашли, что вы могли бы сделать их теорию согласованной с квантовой теорией. Была только одна заминка в том, что, чтобы описывать мембраны, матрица должна была простираться до бесконечности, тогда как квантовая теория, как можно показать, имеет смысл только если матрица конечна. Так что мы остались с предположением, что если квантовая теория могла бы быть последовательно расширена на бесконечные массивы чисел, она могла бы дать квантовую теорию мембран.

В 1996 четыре американских струнных теоретика реанимировали эту идею, но с ухищрениями. Томас Бэнкс, Вилли Фишер, Стивен Шенкер и Леонард Сасскайнд предположили, что на фоне одиннадцатимерного плоского пространства-времени та же самая матричная теория дает не только одиннадцатимерную мембранную теорию, но и всю М-теорию. Эта матричная модель не дает полного ответа на то, что есть М-теория, поскольку она построена на особом фоне. Она работает на нескольких других фонах, но не может дать здравых ответов, когда более чем четыре измерения пространства скручены. Если М-теория верна, наш мир имеет семь скрученных измерений, так что это не достаточно хорошо. Более того, мы все еще не знаем, приводит ли модель к полностью последовательной квантовой теории, если матрица становится бесконечной.

К сожалению, М-теория остается дразнящей гипотезой. Соблазнительно поверить в нее. В то же время, в отсутствие реальной формулировки это не настоящая теория – это предположение о теории, в которую мы рады были бы поверить.

Когда я думаю о наших отношениях с теорией струн на протяжении лет, я вспоминаю одного дилера от искусства, которого представил мой друг. Когда мы встретились, он заметил, что он также является хорошим другом молодой писательницы, чьей книгой я восторгался; мы можем назвать ее "М". Несколькими неделями позже он позвонил мне и сказал: "Я разговаривал с М. на следующий день, и, вы знаете, она очень интересуется наукой. Не мог бы я встреться с вами двумя вместе когда-нибудь?" Конечно, я был ужасно польщен и взволнован и согласился на первое из нескольких приглашений на обед. На полпути через очень хорошее меню зазвонил телефон дилера. "Это М.", – пояснил он. – "Она недалеко. Она была бы рада прерваться и встретиться с вами. Это годится?" Но она так и не пришла. После десерта дилер и я имели большой разговор о соотношении между искусством и наукой. Через некоторое время мое любопытство по поводу того, появится ли М. на самом деле, перешло в мое замешательство по поводу моего старания встретиться с ней, так что я поблагодарил дилера и пошел домой.

Несколько недель спустя он позвонил, чрезмерно извинялся и снова пригласил меня на обед, чтобы встретиться с ней. Конечно, я пошел. С одной стороны, она ела только в лучших ресторанах; казалось, что управляющие некоторых из галерей искусств имеют статьи затрат, которые превосходят оклад академических ученых. Но та же сцена повторилась и в этот раз, и во время нескольких последующих обедов. Она звонила, затем проходил час, иногда два, прежде чем телефон дилера звонил снова: "О, я вижу, вы не сильно переживаете", или "Водитель такси не знает, где находится Одеон? Он увез вас в Бруклин? Из какого города он появился? Да, я согласен, очень скоро..." После двух лет такого дела я стал убеждаться, что картинка молодой женщины на обложке ее книги была фальшивой. Однажды ночью я сказал ему, что я, наконец, понял: это он был М. Он только улыбнулся и сказал: "Ну хорошо, да ... но она была бы так рада встретиться с вами."

История теории струн похожа на мою бесконечно откладываемую встречу с М. Вы работаете над ней, даже если вы знаете, что это не настоящая вещь, поскольку она столь близка, что вы знаете, как ее получить. Между тем компания приятна и еда хороша. Время от времени вы слышите, что настоящая теория вот-вот будет открыта, но это как-то никогда не происходит. Через некоторое время вы уходите искать ее самостоятельно. Это выглядит хорошо, но тоже никогда ни к чему не приводит. В конце концов, вы имеете не намного больше того, с чего начинали: красивую картинку на обложке книги, которую вы никогда не сможете открыть.

10. Теория всего, чего угодно

В двух струнных революциях наблюдения почти не играли роли. Когда число струнных теорий росло, большинство струнных теоретиков продолжало верить в оригинальное представление о единой теории, которая даст однозначные предсказания для экспериментов, но результатов, указывающих в этом направлении, не было, и некоторые теоретики всегда беспокоились, что единая теория может никогда не возникнуть. Тем временем, оптимисты утверждали, что мы должны иметь веру и идти туда, куда ведет теория. Теория струн, как оказалось, делает настолько больше, чем требовалось от единой теории, что конец истории должен наверняка проявиться в ближайшее время.

В последние несколько лет, однако, произошло полное изменение в образе мыслей многих струнных теоретиков. Долго сохраняемые надежды на единую теорию пошли на убыль, и многие из них теперь уверены, что струнная теория должна пониматься как гигантский ландшафт возможных теорий, каждая из которых управляет разными регионами в сложной структуре вселенной.

Что привело к такому полному изменению в ожиданиях? Парадоксально, но это было противоречие с данными опыта. Но это не были данные, которые мы надеялись получить – это были данные, которые большинство из нас никогда не ожидало.

Хорошая теория должна нас удивлять; это означает, что, кто бы ее ни придумал, это должна быть ее работа. Но когда нас удивляют наблюдения, теоретики беспокоятся. Ни одно наблюдение в последние тридцать лет не было более опрокидывающим сложившийся порядок, чем открытие в 1998 темной энергии. Когда мы говорим, что энергия темная, мы имеем в виду, что она кажется отличающейся от всех ранее известных форм энергии и материи, так как она не ассоциируется с любыми частицами и волнами. Она просто есть.

Мы не знаем, что есть темная энергия; мы знаем о ней только потому, что мы можем измерить ее влияние на расширение вселенной. Она проявляется как источник гравитационного отталкивания, однородно распространенный по пространству. Поскольку она распределена равномерно, ничто не происходит внутри нее, ее везде одинаковое количество. Единственное влияние, которое она может оказывать, это влияние на среднюю скорость, с которой галактики разбегаются друг от друга. В 1998 году произошло следующее: Наблюдения за сверхновыми в удаленных галактиках показали, что расширение вселенной ускоряется таким образом, который лучше всего мог бы быть объяснен существованием темной энергии.

Одной из вещей, которой может быть темная энергия, является нечто, именуемое космологической константой. Этот термин обозначает энергию с поразительным свойством: Свойства энергии, такие как ее плотность, кажутся точно одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от того, где они находятся в пространстве и времени, и независимо от того, как они двигаются. Это в высшей степени необычно. Обычно энергия связана с материей, и имеется привилегированный наблюдатель, который двигается вместе с материей. Космологическая константа отличается. Она называется константой, поскольку вы получаете для нее одну и ту же универсальную величину, независимо от того, где и когда она измерялась и как двигается наблюдатель. Поскольку это, кажется, не имеет источника и объяснения в терминах частиц или волн, двигающихся в пространстве, она называется космологической – то есть, она является свойством всей вселенной, а не какой-либо отдельной вещи в ней. (Я должен заметить, что мы еще не уверены, что темная энергия на самом деле имеет форму космологической константы; все свидетельства, которые мы имеем на сегодня, указывают на это, но в следующие несколько лет мы узнаем гораздо лучше, на самом ли деле плотность энергии не изменяется в пространстве и времени.)

Теория струн не предсказала темную энергию; даже хуже, наблюдаемую величину очень трудно приспособить к теории струн. Следовательно, ее открытие форсирует кризис в этой области. Чтобы понять, почему, мы должны вернуться назад и обсудить странную, жалкую историю космологической константы.

История началась около 1916, когда Эйнштейн отказал в доверии самому эффектному предсказанию его тогда еще новой ОТО. Он принял важный урок ОТО, который заключался в том, что геометрия пространства и времени эволюционирует динамически. Так что, когда люди начали применять его новую теорию к моделям вселенной, его не должно было удивить то, что они нашли, что вселенная тоже динамически эволюционирует во времени. Модели вселенных, которые они изучали, расширялись и сжимались; даже казалось, что они имеют начало и конец.

Но Эйнштейн был удивлен этими результатами – и пришел в ужас. От Аристотеля до того момента вселенная всегда мыслилась статической. Она могла быть создана Богом, но если так, она с тех пор не должна была изменяться. Эйнштейн был самым творческим и успешным физиком-теоретиком предыдущих двух столетий, но даже он не мог себе представить вселенную как нечто, отличающееся от вечного и неизменного. У нас есть соблазн сказать, что если Эйнштейн на самом деле был гением, он мог бы поверить в свою теорию больше, чем в предубеждения, и предсказать расширение вселенной. Но более продуктивным уроком будет именно то, насколько тяжело даже для самого смелого мыслителя отбросить убеждения, которые сохранялись тысячелетия.

Он заметил, что его уравнения гравитации допускают новую возможность, которая была в том, что плотность энергии пустого пространства может иметь величину – иными словами, она может быть не нулевой. Более того, эта универсальная плотность энергии должна быть одинаковой для всех наблюдателей, независимо от того, где и когда они делали наблюдения, независимо от того, как они двигались. Так что он назвал это космологической константой. Он нашел, что влияние константы зависит от ее знака. Когда она является положительным числом, она будет заставлять вселенную расширяться – не просто расширяться, но делать это в ускоренном темпе. Это отличается от влияния обычной материи, которая заставляет вселенную сжиматься вследствие взаимного гравитационного притяжения всей содержащейся в ней материи. Так что Эйнштейн понял, что он должен использовать расширительную тенденцию нового члена для уравновешивания притяжения через гравитационную силу, таким образом добившись статичной и вечной вселенной.

Эйнштейн позже назвал космологическую константу своим самым большим просчетом. На самом деле он просчитался дважды. Во-первых, она не очень хорошо работала; она на самом деле не удерживала вселенную от сжатия. Вы могли бы сбалансировать сжатие, происходящее от материи, расширением, происходящим от космологической константы, но только на мгновение. Баланс по своей сути был нестабилен. Чуть-чуть пошевелите вселенную – и она начнет расти или уменьшаться. Но реальный просчет был в том, что идея статической вселенной была ошибочной с самого начала. Десятилетием позже астроном по имени Эдвин Хаббл начал находить свидетельства, что вселенная расширяется. С 1920х космологическая константа стала помехой, чем-то, от чего надо избавиться. Но с течением времени это становилось все тяжелее и тяжелее сделать, по крайней мере, теоретически. Нельзя было просто выбрать ее равной нулю и проигнорировать. Подобно слону на углу, она была здесь, даже если вы притворялись, что ее нет.

Люди вскоре начали понимать, что квантовая теория могла бы кое-что сказать по поводу космологической константы. К сожалению, это было прямо противоположным тому, что мы хотели бы услышать. Квантовая теория – в особенности, принцип неопределенности, – кажется, требует гигантской космологической константы. Если что-нибудь точно покоится, оно имеет определенное положение и импульс, а это противоречит принципу неопределенности, который говорит, что вы не можете знать оба эти свойства частицы. Следствие таково, что даже когда температура равна нулю, вещи двигаются. Имеется малая остаточная энергия, связанная с любой частицей и с любой степенью свободы даже при нулевой температуре. Она называется энергией вакуума или энергией основного состояния. Когда квантовая механика применяется к полям, таким как электромагнитное поле, имеется вакуумная энергия для любой моды колебаний поля. Но поле имеет гигантское количество мод колебаний; поэтому квантовая теория предсказывает гигантскую вакуумную энергию. В контексте ОТО Эйнштейна это подразумевает гигантскую космологическую константу. Мы знаем, что это неверно, поскольку это подразумевает, что вселенная должна была бы расширяться так быстро, что в ней совсем не смогли бы сформироваться никакие структуры. Тот факт, что имеются галактики, устанавливает очень сильные пределы на то, насколько большой может быть космологическая константа. Эти пределы примерно на 120 порядков величины меньше, чем предсказания, которые дает квантовая теория; это можно оценить поистине как наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией.

Что-то тут крайне не правильно. Разумная персона могла бы принять точку зрения, что необходима радикально новая идея и что прогресс в объединении гравитации и квантовой теории не может быть достигнут, пока это рассогласование не будет объяснено. Несколько самых здравых людей прощупали этот путь. Одним из них был немецкий физик-теоретик Олаф Дрейер, который утверждал, что несовместимость между квантовой теорией и ОТО может быть разрешена, только если мы отбросим идею, что пространство является фундаментальным. Он предположил, что само пространство появляется из более фундаментального описания, которое совершено другое. Эта точка зрения также отстаивалась некоторыми теоретиками, которые проделали огромную работу в области физики конденсированной материи, такими как Нобелевский лауреат Роберт Лафлин и русский физик Григорий Воловик. Но большинство из нас, кто работает в фундаментальной физике, просто игнорируют этот вопрос и двигаются дальше в изучении наших различных подходов, даже если, по большому счету, они ничего не дают для его разрешения.

До недавнего времени была спасительная отсрочка: по меньшей мере, наблюдаемая величина космологической константы была нулевой – то есть, не было никаких свидетельств ускоренного темпа расширения вселенной. Это утешало, поскольку мы могли надеяться, что будут найдены новые принципы, которые совсем устранят затруднение из уравнений и сделают космологическую константу точно нулевой. Было бы намного хуже, если бы наблюдаемая величина оказалась бы некоторым маленьким, но ненулевым числом, поскольку намного тяжелее представить новые принципы, которые срезают число до намного меньшей, но все еще ненулевой величины. Таким образом, в течение десятилетий мы благодарили наших разных богов, что мы хотя бы не имели этой проблемы.

Космологическая константа представляет собой проблему для всей физики, но ситуация казалась чуть лучше для теории струн. Теория струн не могла объяснить, почему космологическая константа была равна нулю, но, по крайней мере, она объясняла, почему она не является положительным числом. Как одно из нескольких заключений, которые мы смогли получить из теории струн, было известно, что космологическая константа могла бы быть только равной нулю или отрицательной. Я не знаю ни одного струнного теоретика, который предсказал, что космологическая константа не должна быть положительным числом, но это было широко известное следствие струнной теории. Причины являются слишком техническими, чтобы обосновывать их справедливость здесь.

Фактически, изучались струнные теории с отрицательной космологической постоянной. Знаменитое предположение Малдасены, например, содержит пространство-время с отрицательной космологической постоянной. Имелось множество трудностей, и до сегодняшнего дня никто подробно не выписал детали теории струн в мире с отрицательной космологической постоянной. Но этот недостаток подробностей, как все были уверены, является технической проблемой – нет известных причин, почему этого не должно быть в принципе.

Вы можете представить себе сюрприз тогда, в 1998, когда наблюдения сверхновых начали показывать, что расширение вселенной являлось ускоренным, что означало, что космологическая константа должна была быть положительным числом. Это был подлинный кризис, поскольку проявилось явное рассогласование между наблюдениями и предсказаниями теории струн. В самом деле, имелись теоремы, указывающие, что вселенные с положительной космологической константой – по меньшей мере, пока мы пренебрегаем квантовыми эффектами, – не могут быть решениями теории струн.

Эдвард Виттен не из тех, кто предается пессимизму, однако, и он уныло заявил в 2001: "Я не знаю ни одного четкого способа получения пространства де Ситтера [вселенной с положительной космологической константой] из теории струн или М-теории."