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

Философы и историки науки, среди которых Имре Лакатос, Пол Фейерабенд и Томас Кун, утверждали, что одной экспериментальной аномалии редко бывает достаточно, чтобы убить теорию. Если в теории достаточно глубоко уверена достаточно большая группа экспертов, они будут искать все более крайние меры, чтобы сохранить ее. Это не всегда плохо для науки, а порой бывает и очень хорошо. Временами защитникам теории сопутствует успех, и когда это происходит, могут быть сделаны великие и неожиданные открытия. Но иногда защитники терпят неудачу, и тогда растрачивается огромное количество времени и энергии, пока теоретики глубже и глубже закапываются в яму. История теории струн в последние несколько лет является одной из тех, которые Лакатос и Фейерабенд должны были хорошо понимать, это история большой группы экспертов, которые делают, что могут, чтобы сохранить заветную теорию перед лицом данных, которые кажутся ей противоречащими.

Что сохранило бы теорию струн – если она на самом деле сохранится – так это решение совершенно другой проблемы: как сделать высшие измерения стабильными. Вспомним, что в теориях с высшими измерениями скручивание дополнительных измерений производит множество решений. Те, которые могли бы воспроизвести наблюдаемый нами мир, очень специальные, так как определенные аспекты геометрии высших измерений должны будут поддерживаться замороженными. С другой стороны, раз уж геометрия начинает изменяться, она может только продолжать двигаться, приводя либо к сингулярности, либо к быстрому расширению, которое сделает скрученные дополнительные размерности столь же большими, как и наблюдаемые нами измерения.

Струнные теоретики называют это проблемой стабилизации модулей, где слово "модули" обозначает общее название для констант, которые различают свойства дополнительных измерений. Это проблема, которую теории струн следовало решить, но долгое время было не ясно, как это сделать. Как и в других случаях, пессимисты были обеспокоены, хотя оптимисты были уверены, что раньше или позже мы найдем решение.

В этом случае оптимисты были правы. Прогресс начался в 1990е, когда некоторые теоретики в Калифорнии поняли, что ключом было использование бран для стабилизации высших измерений. Чтобы понять, как, нам надо принять во внимание одну особенность проблемы, которая заключается в том, что геометрия высших измерений может изменяться непрерывно, хотя и оставаться хорошим фоном для теории струн. Иными словами, вы можете изменять объем или форму высших измерений, и, делая это, перетекать через пространство различных струнных теорий. Это означает, что ничто не может остановить геометрию дополнительных измерений от эволюции во времени. Чтобы избежать этой эволюции, мы должны были найти класс теорий струн, среди которых было бы невозможно двигаться без разрывов. Один из способов сделать это заключался в нахождении струнных теорий, для которых каждое изменение является дискретным шагом – то есть, вместо гладкого течения среди теорий вы должны сделать большие, резкие изменения.

Джозеф Полчински сказал нам, что в теории струн на самом деле имелись дискретные объекты: браны. Вспомним, что имеются струнные фоны, в которых браны закручены вокруг поверхностей в дополнительных измерениях. Браны появляются в дискретных единицах. Вы можете иметь 1, 2, 17 или 2040197 бран, но не 1,003 браны. Поскольку браны переносят электрические и магнитные заряды, это приводит к дискретным единицам электрического и магнитного потока.

Так в конце 1990х Полчински, работая вместе с одаренным постдоком по имени Рафаэль Буссо, начал изучение струнных теорий, в которых большие числа единиц электрического потока закручивались вокруг дополнительных измерений. Они смогли получить теории, в которых некоторые параметры больше не изменялись непрерывно. Но можете ли вы заморозить все константы таким образом? Это потребовало намного более сложной конструкции, но ответ принес дополнительную выгоду. Это сделало теорию струн с положительной космологической константой.

Решающий прорыв был сделан в начале 2003 группой ученых из Стэнфорда, включая Ренату Каллош, первопроходца супергравитации и теории струн, Андрея Линде, который является одним из первооткрывателей инфляции, и двух лучших молодых струнных теоретиков, Шамита Качру и Сандипа Триведи. Их труд сложен даже по стандартам струнной теории; он был охарактеризован их коллегой по Стэнфорду Леонардом Сасскайндом как "новое хитроумное изобретение Руби Голдберга ( Рубен Лакиус Голдберг (Reuben Lucius Goldberg) – инженер и мультипликатор, обладатель Пулитцеровской премии. Умер в 1970 году, но до сих пор люди смеются над его комиксами, рассказывающими, как сделать простые вещи излишне сложными. – (прим. перев.))." Но этот труд имел сильнейшее влияние, поскольку он решил как проблему стабилизации дополнительных измерений, так и проблему согласования теории струн с наблюдениями темной энергии.

Вот упрощенная версия того, что сделала Стэнфордская группа. Они стартовали с много раз изучавшегося вида теории струн – плоского четырехмерного пространства-времени с малой шестимерной геометрией в каждой точке. Они выбрали геометрию шести скрученных измерений в виде одного из пространств Калаби-Яу (см. главу 8). Как отмечалось, имеется, по меньшей мере, сотня тысяч таких пространств, и все, что вы можете сделать, это выбрать типичное из них, чья геометрия зависит от большого количества констант.

Затем они скрутили большое число электрических и магнитных потоков вокруг шестимерных пространств в каждой точке. Поскольку вы можете скрутить только дискретные единицы потока, это склоняет нестабильности к замораживанию. Чтобы дальше стабилизировать геометрию, вы должны обратиться к определенным квантовым эффектам, о которых не известно, как они возникают непосредственно из теории струн, но которые поняты в некоторых пределах в суперсимметричных калибровочных теориях, так что есть вероятность, что они играют роль и тут. Объединяя эти квантовые эффекты с эффектами от потоков, вы получаете геометрию, в которой все модули стабильны.

Это тоже можно сделать, так что в четырехмерном пространстве-времени появляется отрицательная космологическая постоянная. Оказывается, что чем меньше мы хотим иметь космологическую постоянную, тем больше потоков мы должны накрутить, так что мы накручиваем гигантское количество потоков, чтобы получить крошечную, но все еще отрицательную космологическую константу. (Как отмечалось, мы не знаем подробно, как записать детали теории струн на таком фоне, но нет причин полагать, что ее не существует.)

Но суть заключается в получении положительной космологической константы, подходящей к новым наблюдениям темпа расширения вселенной. Так что следующий шаг заключается в накручивании других бран вокруг геометрии и другим способом, который оказывает эффект возрастания космологической константы. Точно так же, как имеются античастицы, имеются антибраны, и Стэнфордская группа использовала здесь именно их. Путем накручивания антибран может быть добавлена энергия так, чтобы сделать космологическую константу малой и положительной. В то же время тенденция струнных теорий перетекать друг в друга подавлена, поскольку любое изменение требует дискретного шага. Таким образом, две проблемы были разом решены: удалены нестабильности и получена малая положительная космологическая константа.

Стэнфордская группа могла бы сохранить теорию струн, по крайней мере, на время, от кризиса, сгенерированного космологической константой. Но путь, которым они это сделали, имел такие роковые и непредумышленные последствия, что это разбило струнное сообщество на фракции. До этого момента сообщество было в высшей степени единым. Прийти на конференцию по теории струн в 1990е было все равно, что прийти в Китай в начале 1980х, так как почти все, с кем вы разговаривали, казалось, пламенно поддерживали одну и ту же точку зрения. К лучшему или к худшему, но Стэнфордская группа разрушила единство партии.

Вспомним, что особая струнная теория, которую мы обсуждали, возникает из накручивания потоков вокруг компактных геометрий. Чтобы получить малую космологическую константу, вы должны накрутить много потоков. Но имеется более, чем один способ накручивания потока; фактически, имеется множество способов. Сколько?

Перед ответом на этот вопрос я должен подчеркнуть, что мы не знаем, если это имеет место, дают ли теории, сделанные с помощью накрученных вокруг скрытых размерностей потоков, хорошие последовательные квантовые теории струн. Вопрос слишком тяжел, чтобы ответить на него с использованием имеющихся у нас методов. Поэтому то, что мы делаем, это применяем тесты, которые дают нам необходимые, но не достаточные условия для существования хороших струнных теорий. Тесты требуют, чтобы струнные теории, если они существуют, имели слабо взаимодействующие струны. Это означает, что если мы могли бы проделать вычисления в струнных теориях, результаты были бы очень близки к предсказаниям приблизительных расчетов, которые мы в состоянии делать.

Вопрос, на который мы можем ответить, заключается в том, сколько струнных теорий удовлетворяет этим тестам, которые содержат скрученные потоки вокруг шести скрытых измерений. Ответ зависит от того, какую величину космологической константы мы хотим получить в итоге. Если мы хотим получить отрицательную или нулевую космологическую константу, имеется бесконечное число различных теорий. Если мы хотим теорию, дающую положительную величину для космологической константы, которая согласуется с наблюдениями, имеется конечное число; в настоящее время имеются свидетельства существования 10⁵⁰⁰ или около того таких теорий.

Это, конечно, чудовищное количество струнных теорий. Более того, каждая из них является особой. Каждая будет давать различные предсказания для физики элементарных частиц и различные предсказания для величин параметров стандартной модели.

Идея, что теория струн дала нам не одну теорию, а ландшафт, состоящий из множества возможных теорий, была предложена в конце 1980х и начале 1990х, но она была отвергнута большинством теоретиков. Как отмечалось, Эндрю Строминджер нашел в 1986, что имелось гигантское число, по-видимому, последовательных струнных теорий, и несколько струнных теоретиков продолжали беспокоиться по поводу итоговой потери предсказательности, хотя большинство из них остались уверенными, что должны появиться условия, при которых все сведется к однозначной и корректной теории. Но работы Буссо и Полчински, а также Стэнфордской группы, наконец, нарушили равновесие. Они дали нам гигантское число новых струнных теорий, как предполагал Строминджер, но что было новое, так это то, что эти числа были нужны для решения двух больших проблем: то есть, сделать теорию струн согласующейся с наблюдениями положительной вакуумной энергии и стабилизировать теории. Вероятно, по этим причинам, огромный ландшафт теорий в конце концов начал рассматриваться не как причудливый результат, который должен быть проигнорирован, а как способ сохранения теории струн от фальсификации.

Другой причиной того, что идея ландшафта была принята, было, очень просто, что теоретики были обескуражены. Они потратили много времени на поиск принципа, который бы выбрал единственную теорию струн, но такой принцип не был открыт. После второй революции теория струн сейчас намного лучше понята. Дуальности, в особенности, сделали более сложным утверждение, что большинство струнных теорий должны быть нестабильны. Таким образом, струнные теоретики начали принимать огромный ландшафт возможностей. Вопрос, двигающий все направление, больше не заключался в поиске однозначной теории, а свелся к тому, как делать физику с такой гигантской коллекцией теорий.

Один из ответов – сказать, что это невозможно. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с наблюдениями, их окажется так много, что некоторые из них всегда будут определенно давать вам такой ответ, какой вы хотите. Почему просто не принять эту ситуацию как сведение к абсурду? Это лучше звучит на латыни (reductio ad absurdum), но более честно сказать на нашем языке: Если попытка сконструировать единую теорию природы привела вместо этого к 10⁵⁰⁰ теорий, этот подход свелся к нелепости. Это болезненно для тех, кто вложил годы и даже десятилетия своей трудовой жизни в теорию струн. Если это болезненно для меня, посвятившего определенное количество времени на эти попытки, то я могу только вообразить, как должны себя чувствовать некоторые мои друзья, которые положили на теорию струн всю свою карьеру. Тем не менее, даже если удар судьбы подобен аду, признание сведения к абсурду кажется рациональным и честным откликом на ситуацию. Этот отклик выбрали несколько людей, которых я знаю. Но это не тот отклик, который выбрало большинство струнных теоретиков.

Имеется другой рациональный ответ на ситуацию: отвергнуть утверждение, что существует громадное число струнных теорий. Аргументы в пользу новых теорий с положительной космологической константой базируются на радикальных приближениях; возможно, они приводят теоретиков к уверенности в теориях, которые не существуют математически, не говоря о физической стороне вопроса.

Фактически, свидетельства в пользу огромного числа струнных теорий с положительной космологической константой базируются на очень косвенных аргументах. Мы не знаем, как реально описать струны, двигающиеся в этих фонах. Более того, мы можем определить некоторые необходимые условия существования струнной теории, но мы не знаем, являются ли эти условия также и достаточными, чтобы теория существовала. Тогда нет доказательства, что теория струн реально существует в любом из этих фонов. Так что здравомыслящие персоны могут сказать, что, возможно, их и нет. В самом деле, имеются недавние результаты – от Гэри Хоровица, одного из первооткрывателей пространств Калаби-Яу, и двух его более молодых коллег, Томаса Хертога и Кенго Маэды, – которые поднимают вопросы о том, описывает ли любая из этих теорий стабильные миры. Можно или принять такое свидетельство всерьез, или проигнорировать его, что многие струнные теоретики и делают. Возможная нестабильность, найденная Хоровицем и его сотрудниками, задевает не только ландшафт новых теорий, найденный Стэнфордской группой, но и все решения, которые содержат шестимерные пространства Калаби-Яу. Если эти решения на самом деле все нестабильны, это означает, что большуя часть работы, направленной на соединение теории струн с реальным миром, нужно будет выбросить на свалку. В настоящее время имеются также дебаты об обоснованности некоторых предположений Стэнфордской группы.

В начале первой суперструнной революции казалось сверхъестественным, что любая струнная теория вообще существует. Что в итоге их имеется пять было даже еще более удивительным. Абсолютная невероятность скрепляла нашу уверенность в проекте. Если сначала было невероятным, что это работает, а затем оно заработало – ну, это было никак не меньше, чем чудо. Сегодня струнные теоретики готовы признать существование ландшафта, содержащего громадное число теорий, основанного на гораздо меньших доказательствах, чем нам было нужно двадцать лет назад, чтобы убедиться, что единичная теория существует.

Так что одним из способов подвести черту является просто сказать: "Мне нужно убедиться, что эти теории существуют, используя те же стандарты, которые мы требовали десятилетия назад, чтобы оценить первые пять теорий." Если вы настаиваете на тех стандартах, тогда вы не поверите в огромное число новых теорий, поскольку доказательств любой теории в текущем ландшафте значительно меньше по сравнению со старыми стандартами. Это та точка зрения, к которой я решил склониться большую часть времени. Она просто кажется мне самым рациональным прочтением доказательств.

11. Антропное решение

Многие физики, которых я знаю, снизили свои ожидания по поводу того, что теория струн является фундаментальной теорией природы, – но не все. В последние несколько лет стало модным утверждать, что проблема связана не с теорией струн, а с нашими ожиданиями, как должна выглядеть любая физическая теория. Этот аргумент был введен пару лет назад Леонардом Сасскайндом в статье, озаглавленной "Антропный ландшафт теории струн":

На основании недавней работе нескольких авторов кажется правдоподобным, что ландшафт невообразимо велик и разнообразен. Нравится нам это или нет, такое поведение повышает доверие к антропному принципу. ... [Теории в ландшафте Стэнфордской группы] совсем не просты. Они создали аварийное устройство, новое хитроумное изобретение Руби Голдберга, которое едва ли могло иметь фундаментальное значение. Но в антропной теории простота и элегантность не являются предметом рассмотрения. Единственным критерием для выбора вакуума является пригодность, то есть содержит ли он необходимые элементы, такие как формирование галактик и сложную химию, которая необходима для жизни. Это вместе с космологией, которая гарантирует высокую вероятность того, что, по меньшей мере, один большой участок пространства будет сформирован с такой вакуумной структурой, есть все, что нам нужно.

Антропный принцип, на который ссылался Сасскайнд, это старая идея, предлагаемая и рассматриваемая космологами с 1970х, работающая с фактом, что жизнь может возникнуть только в экстремально узком диапазоне всевозможных физических параметров и еще, достаточно странно, мы здесь, якобы, потому, что вселенная выстроена так, чтобы мы смогли приспособиться (отсюда термин "антропный"). Специфическая версия, которую привлек Сасскайнд, является космологическим сценарием, который некоторое время пропагандируется Андреем Линде, именуемым вечная инфляция. В соответствии с этим сценарием быстрая инфляционная фаза ранней вселенной приводит не к одной, а к бесконечному семейству вселенных. Вы можете думать об изначальном состоянии вселенной как о фазе, которая экспоненциально расширяется и никогда не останавливается. В ней возникают пузырьки, и в этих местах расширение разительно замедляется. Наш мир является одним из таких пузырьков, но имеется бесконечное количество других. К этому сценарию Сасскайнд добавил идею, что когда формируется пузырек, некоторым естественным процессом выбирается одна из громадного числа струнных теорий, чтобы управлять этой вселенной. Результатом является гигантское семейство вселенных, каждая из которых управляется струнной теорией, хаотически выбранной из ландшафта теорий. Где-нибудь в этой так называемой мультивселенной имеется любая возможная теория из ландшафта.

Я нахожу прискорбным, что Сасскайнд и другие воспользовались антропным принципом, поскольку некоторое время назад было осознано, что это очень убогое основание, чтобы делать на нем науку. Поскольку каждая возможная теория управляет некоторой частью мультивселенной, мы можем сделать очень мало предсказаний. Нетрудно увидеть, почему.

Чтобы сделать предсказание в теории, которая постулирует гигантское семейство вселенных, удовлетворяющих хаотически выбираемым законам, мы должны были бы сначала записать все вещи, которые мы знаем о нашей собственной вселенной. Эти вещи будут применимы также и к некоторому числу других вселенных, и мы можем обозначить это подмножество вселенных, где указанные факты верны, как возможно правильные вселенные.

Все, что мы знаем, это что наша вселенная является одной из возможно правильных вселенных. Задав, что семейство вселенных произведено посредством хаотического распределения фундаментальных законов природы между ними, мы можем узнать еще немного. Мы можем сделать новое предсказание, только если каждая или почти каждая возможно правильная вселенная имеет свойство, не входящее в список свойств, которые мы уже наблюдаем в нашей собственной вселенной.