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

12. Что объясняет теория струн

Что мы до сих пор должны были понять в странной истории теории струн? Сегодня прошло более чем два десятилетия с первой суперструнной революции. В течение этого времени теория струн доминировала в привлекаемом внимании и потребляемых ресурсах во всем мире – в ней работали более тысячи самых талантливых и высокоподготовленных ученых мира. Хотя имелось место для заслуживающего внимания несогласия по поводу перспектив теории, раньше или позже наука, предполагается, соберет доказательства, которые позволят нам достигнуть консенсуса по поводу истинности теории. Помня, что будущее всегда открыто, я хотел бы закрыть эту секцию, попытавшись оценить теорию струн как проект для научной теории.

Позвольте мне пояснить. Во-первых, я не оцениваю качество работы; многие струнные теоретики являются блестящими и хорошо подготовленными специалистами, а их труд – высочайшего качества. Второе, я хочу отделить вопрос, является ли теория струн убедительным кандидатом на физическую теорию, от вопроса, привели или нет исследования в теории к успешным прозрениям для математики или для других проблем в физике. Никто не подвергает сомнению, что из теории струн было получено много хорошей математики и что наше понимание некоторых калибровочных теорий было углублено. Но пригодность побочных результатов для математики или других областей физики не является доказательством за или против корректности теории струн как научной теории. Что я хочу оценить, так это степень, с которой теория струн выполнила ее оригинальное обещание как теории, которая объединяет квантовую теорию, гравитацию и физику элементарных частиц. Является или нет теория струн кульминацией научной революции, которую Эйнштейн начал в 1905? Этот вид оценки не может основываться на нереализованных гипотезах, на недоказанных догадках или на надеждах сторонников теории. Это наука, и правильность теории может быть оценена только на основе результатов, которые опубликованы в научной литературе; так что мы должны позаботиться о проведениие различия между догадками, свидетельствами и доказательствами.

Можно спросить, не слишком ли рано проводить такую оценку. Но теория струн находится под непрерывной разработкой уже больше тридцати пяти лет, а более двадцати лет назад она захватила внимание многих ярчайших ученых мира. Как я подчеркивал ранее, в истории науки нет прецедента, по меньшей мере, с конца восемнадцатого века, чтобы для предложенной крупной теории прошло больше десятилетия или до ее падения, или до сбора впечатляющей экспериментальной и теоретической поддержки. Ссылки на экспериментальные трудности являются не убедительными по двум причинам: большинство данных, для объяснения которых теория струн была придумана, уже существуют в величинах констант стандартных моделей физики частиц и космологии. Второе, хотя верно, что струны слишком малы, чтобы наблюдать их непосредственно, предыдущие теории почти всегда быстро приводили к изобретению новых экспериментов – экспериментов, которые никто не мог бы и помыслить провести в противном случае.

В добавление, мы имели огромное количество данных для рассмотрения при проведении наших вычислений. Многие люди, работая в теории струн, дали нам огромный материал для обработки. Одинаково информативными являются догадки и гипотезы, которые остались открытыми, несмотря на интенсивное исследование. Большинство ключевых догадок, которые не разрешены, имеют, по меньшей мере, десятилетний возраст, и нет признаков, что они будут вскоре решены.

Наконец, в результате открытия громадного ландшафта теорий, описанного в главе 10, теория струн находится в кризисе, который приводит многих ученых к пересмотру своих обещаний. Таким образом, хотя мы должны помнить, что новое развитие может изменить картину, это означает, что наступило хорошее время, чтобы попытаться оценить теорию струн как научную теорию. Первый этап оценки любой теории заключается в сравнении с наблюдением и экспериментом. Это обсуждалось в последней главе. Мы узнали, что даже после всех трудов, которые были вложены в теорию струн, не имеется реалистичной возможности для определенного подтверждения или фальсификации однозначного предсказания из теории путем эксперимента, возможного к проведению в настоящее время.

Некоторые ученые могли бы принять это как причину, достаточную, чтобы сдаться, но теория струн была изобретена для решения определенных теоретических головоломок. Даже в отсутствие экспериментального теста мы могли бы быть готовы поддержать теорию, которая обеспечивает убедительные решения знаменитых проблем. В первой главе я описал пять главных проблем, стоящих перед теоретической физикой. Теория, которая закроет эйнштейновскую революцию, должна решить их все. Таким образом, будет честно оценить теорию струн, задав вопрос, насколько хорошо она делает это.

Начнем с точного перечисления, что мы знаем о теории струн.

Прежде всего, отсутствует полная формулировка теории. Нет общепринятых предложений о том, что представляют собой базовые принципы теории струн или каковы должны быть главные уравнения теории. Отсутствует доказательство, что такая полная формулировка существует. Что мы знаем о теории струн, состоит, большей частью, из приблизительных результатов и догадок, которые имеют отношение к следующим четырем классам теорий:

1.Наиболее хорошо понятые теории свойств струн, движущихся в простых фонах, таких как плоское десятимерное пространство-время, где геометрия фона не изменяется во времени, а космологическая константа равна нулю. Имеется также много случаев, где некоторые из девяти пространственных измерений свернуты, хотя остальные остаются плоскими. Эти теории мы лучше всего понимаем, поскольку могут быть проведены детальные расчеты струн и бран, двигающихся и взаимодействующих в этих фонах.

В этих теориях мы описываем движение и взаимодействие струн в фоновых пространствах в терминах аппроксимационной процедуры, именуемой теория возмущений. Было обеспечено, что эти теории хорошо определены и дают конечные и последовательные предсказания вплоть до второго порядка этой аппроксимационной схемы. Другие результаты поддерживают, но до сегодняшнего дня не доказывают непротиворечивость этих теорий. Кроме того, большое число результатов и догадок описывают сеть соотношений дуальности между этими теориями.

Однако, каждая из этих теорий не согласуется с установленными фактами о нашем мире. Большинство из них имеют ненарушенную суперсимметрию, которая не наблюдается в реальном мире. Некоторые из них, которые не имеют ненарушенной суперсимметрии, предсказывают, что фермионы и бозоны имеют суперпартнеров с одинаковой массой, которые также не наблюдаются, а также они предсказывают существование сил с бесконечной областью действия в дополнение к гравитации и электромагнетизму, которые опять же не наблюдаются.

2. В случае мира с отрицательной космологической константой имеется аргумент в пользу существования класса теорий струн, основывающихся на предположении Малдасены. Это связывает теорию струн в определенных пространствах с отрицательной космологической константой с определенными суперсимметричными калибровочными теориями. До настоящего момента эти теории струн не могли быть сконструированы и изучены явно, за исключением определенных, очень специальных, высокосимметричных предельных случаев. Наиболее слабые версии предположения Малдасены поддержаны большим количеством подтверждений, но точно не известно, какая из версий предположения верна. Если верна более сильная версия, то теория струн эквивалентна калибровочной теории, и это соотношение обеспечивает точное описание теорий струн с отрицательной космологической константой. Однако, эти теории также не могут описывать нашу вселенную, поскольку, как мы знаем, космологическая константа положительна.

3. Предсказывается существование бесконечного числа других теорий, что соответствует струнам, двигающимся в более усложненных фонах, в которых космологическая константа не равна нулю, в которых пространственно-временная фоновая геометрия эволюционирует во времени или в которых фон содержит браны и другие поля. Это включает громадное число случаев, где космологическая константа положительна в согласии с наблюдениями. До настоящего момента не удалось точно определить эти струнные теории или провести явные вычисления, чтобы извлечь из них предсказания. Подтверждение их существования основывается на удовлетворении необходимых, но далеко не достаточных условий.

4. В двадцати шести пространственно-временных измерениях имеется теория безфермионов и суперсимметрии. Эта теория имеет тахионы, которые приводят к бесконечным выражениям, что показывает противоречивость теории.

Предполагается, что все догадки и сконструированные теории объединяются в более глубокой теории, именуемой М-теорией. Основная идея в том, что все теории, которые мы понимаем, соответствуют решениям этой более глубокой теории. Имеется подтверждение ее существования во многих дуальных взаимосвязях, которые предполагаются и демонстрируются сохраняющимися между различными теориями струн, но до сегодняшнего дня никто не смог сформулировать их основные принципы или выписать их основные законы.

Из этого обобщения мы можем видеть, почему любое вычисление в теории струн с необходимостью будет дискуссионным. Если мы ограничим наше внимание на теориях, о которые известно, что они существуют, – таких, которые позволяют нам проводить реальные вычисления и делать предсказания, – мы должны будем заключить, что теория струн не должна иметь ничего общего с природой, поскольку каждая такая теория не согласуется с экспериментальными данными. Так что надежда, что теория струн может описать наш мир, полностью основывается на вере в теории струн, чье существование только предполагается.

Тем не менее, многие работающие струнные теоретики уверены, что предполагаемые теории существуют. Эта уверенность, кажется, должна базироваться на косвенных рассуждениях, вроде следующих:

1. Они предполагают, что общая формулировка теории струн существует и определяется неизвестными принципами и неизвестными уравнениями. Эта неизвестная теория, как предполагается, имеет много решений, каждое из которых обеспечивает непротиворечивую теорию струн, распространяющихся в некотором фоновом пространстве-времени.

2. Затем они выписывают уравнения, которые предполагаются аппроксимирующими правильные уравнения неизвестной теории. Затем предполагается, что эти приблизительные уравнения дают необходимые, но не достаточные условия для фона, чтобы получить последовательные теории струн. Эти уравнения являются версиями теории Калуцы-Кляйна, в которую они включили ОТО, расширенную до высших размерностей.

3. Для любого такого решения этих приблизительных уравнений они предполагают существование теории струн, даже если они не могут записать ее явно.

Проблема с этими рассуждениями в том, что первый этап является догадкой. Мы не знаем, что теория или уравнения, которые его определяют, реально существуют. Это делает второй этап тоже догадкой. Итак, мы не знаем, что предполагаемые приблизительные уравнения дают нам достаточные, в противоположность необходимым, условия существования теории струн.

Имеется опасность в таком способе рассуждений – в допущении того, что нуждается в доказательстве. Если вы верите в предполагаемые доказательства, тогда теории, чье существование предполагается, могут изучаться как примеры теорий струн. Но необходимо помнить, что они не являются ни теориями струн, ни вообще теориями любого вида, а, скорее, решениями классических уравнений. Их смысл полностью зависит от существования теорий, которые никто не смог сформулировать, и предположений, которые никто не смог доказать. Раз так, кажутся не убедительными основания для уверенности, что существует какая-либо теория струн, которая не была детально сконструирована.

Какие заключения можно сделать из всего этого? Первое, признавая незавершенное состояние знаний о теории струн, имеется широкий диапазон возможных вариантов будущего. Базируясь на том, что мы знаем сегодня, теория может оказаться хорошо оправдывающей исходные надежды. Возможно также, что вообще нет реальной теории и все, что когда-либо может быть, это большой набор приблизительных результатов о специальных случаях, которые удерживаются только потому, что ограничиваются специальными симметриями.

Кажется неизбежным заключение, что сама теория струн – то есть, теория струн, движущихся на фоновом пространстве-времени, – вряд ли является фундаментальной теорией. Если теория струн вообще является важной для физики, это потому, что она обеспечивает подтверждение существования более фундаментальной теории. Это в целом осознано, и фундаментальная теория имеет имя – М-теория, – даже если она еще не изобретена.

Это может не быть таким плохим, как кажется. Например, не известно, существуют ли на строгом уровне большинство квантовых теорий поля. Квантовые теории поля, которые изучают физики, занимающиеся частицами, – включая квантовую электродинамику, квантовую хромодинамику и стандартную модель, – разделяют с теорией струн тот факт, что они определены только в терминах процедуры приближений. (Хотя было доказано, что эти теории дают конечные и непротиворечивые результаты во всех порядках приближения). Тем не менее, имеется хорошее основание верить, что стандартная модель не существует как строго определенная математическая теория. Это не возмущает, пока мы верим, что стандартная модель является только шагом в направлении более глубокой теории.

Теория струн сначала мыслилась как такая более глубокая теория. На основании существующих свидетельств мы должны признать, что это не так. Подобно квантовым теориям поля, теория струн кажется приблизительной конструкцией, которая указывает (в той степени, в которой она соответствует природе) на существование более фундаментальной теории. Это не обязательно делает теорию струн не относящейся к делу, но чтобы продемонстрировать ее достоинства, необходимо действовать точно так же, как и в стандартной модели. Она должна предсказать нечто новое, что окажется правильным, и она должна объяснять наблюдаемые явления. Мы видели, что до настоящего времени она не делала первое. Делала ли она второе?

Мы можем ответить на это, оценив, насколько хорошо теория струн отвечает на пять ключевых проблем, подчеркнутых в главе 1.

Начнем с хороших новостей. Теория струн была исходно мотивирована третьей проблемой, проблемой объединения частиц и сил. Насколько она кажется правдоподобной как такая объединяющая теория?

Вполне хорошо. На фонах, где определены последовательные струнные теории, колебания струн включают состояния, которые соответствуют всем известным видам материи и сил. Гравитон, частица, которая переносит гравитационную силу, происходит из колебаний петель (то есть, замкнутых струн). Фотон, носитель электромагнитной силы, также появляется из колебаний струны. Более сложные калибровочные поля, в терминах которых формулируется наше понимание сильных и слабых ядерных сил, также возникают автоматически; то есть, теория струн предсказывает в целом, что имеются калибровочные поля, сходные с указанными, хотя она не предсказывает той особой смеси сил, которую мы видим в природе.