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

Остающаяся проблема в нашем списке есть номер 2: проблема обоснований квантовой механики. Предлагает ли теория струн какое-либо решение этой проблемы? Ответ: нет. Теория струн до сих пор ничего прямо не говорит о проблеме обоснований квантовой теории.

И вот оценка ситуации. Из пяти ключевых проблем теория струн потенциально полностью решает одну, проблему объединения частиц и сил. Эта проблема и мотивировала изобретение теории струн, и она является до сих пор самым впечатляющим ее успехом.

Имеются свидетельства, что теория струн указывает на решение проблемы квантовой гравитации, но, в лучшем случае, она указывает на существование более глубокой теории, которая решает проблему квантовой гравитации, а не сама является решением.

В настоящее время теория струн не решает ни одну из трех оставшихся проблем. Она кажется неспособной объяснить параметры стандартных моделей физики и космологии. Она обеспечивает список возможных кандидатов на роли темной материи и темной энергии, но не предсказывает их однозначно или не объясняет чего-либо по их поводу. И до сегодняшнего дня теория струн ничего не говорит о величайшей тайне из всех, которая заключается в смысле квантовой теории.

Кроме всего этого, имеются ли какие-нибудь успехи, чтобы поговорить о них? Одно из мест, где мы обычно ищем успехи теории, есть предсказания, которые она делает для новых экспериментов или наблюдений. Как мы говорили, теория струн не делает абсолютно никаких предсказаний этого вида. Ее сила заключается в том, что она унифицирует виды частиц и сил, о чем мы уже знаем. Если бы мы, например, ничего не знали о гравитации, мы могли бы предсказать ее существование из теории струн. Это не мелочь. Но это не предсказание для нового эксперимента. Более того, нет возможности фальсифицировать теорию – доказать ее ложность, – обнаружив такой эксперимент или наблюдение, которые бы расходились с предсказаниями теории.

Если теория струн не делает новых предсказаний, тогда мы должны, по крайней мере, спросить, насколько хорошо она оценивает уже имеющиеся у нас данные. Тут ситуация своеобразная. Вследствие неполного состояния нашего знания мы должны разделить многие возможные теории струн на две группы и исследовать каждую из них отдельно. Первая группа строится из тех теорий струн, о которых известно, что они существуют, а вторая группа содержит те теории, которые предположительно существуют, но еще не сконструированы.

Из-за недавних наблюдений, что расширение вселенной ускоряется, мы должны сконцентрироваться на теориях струн из второго класса, поскольку только они согласуются с данными находками. Но мы не знаем, как рассчитать вероятности движения и взаимодействия струн в этих теориях. Мы не только не можем показать, что эти теории существуют; свидетельства, которые мы для них имеем, заключаются в их фонах, удовлетворяющих определенно необходимым, но далеко не достаточным условиям. Так что даже в очень хорошем случае, если имеется какая-либо теория струн, описывающая нашу вселенную, должны быть изобретены новые техники, чтобы рассчитать предсказания для экспериментов, которые работают в этой новой теории. Все известные теории струн, как отмечалось, не согласуются с наблюдаемыми фактами о нашем мире: Большинство имеет ненарушенную суперсимметрию; другие предсказывают, что фермионы и бозоны появляются парами одинаковой массы; и все они предсказывают существование новых (и до сегодняшнего дня не наблюдавшихся) сил с бесконечной областью действия. Тяжело избежать заключения, однако, хорошо мотивированного, что теория струн потерпела неудачу в осуществлении надежд, которых на нее так много возлагалось двадцать лет назад.

В расцвете 1985 одним из самых увлеченных сторонников новой революционной теории был Дэниэл Фридэн, тогда работавший в Университете института Ферми в Чикаго. Вот что он сказал в недавней статье:

Теория струн потерпела неудачу как теория физики вследствие существования многообразия возможных фоновых пространств-времен. ... Долго продолжающийся кризис теории струн заключается в ее полной неспособности объяснить или предсказать что-либо из физики больших масштабов. Теория струн не может сказать ничего определенного о физике больших расстояний. Теория струн не способна определить размерность, геометрию, спектр частиц и константы связи макроскопического пространства-времени. Теория струн не может дать никакого определенного объяснения существующему знанию о реальном мире и не может сделать никаких определенных предсказаний. Достоверность теории струн не может быть оценена, еще меньше установлена. Теория струн не имеет веры как кандидат на теорию физики.

Однако, многие струнные теоретики все еще на службе. Но как это так, что перед лицом проблем, которые мы обсуждали, множество ярких людей продолжают работать над теорией струн?

Одна из причин в том, что струнные теоретики восхищены тем, что теория красива или "элегантна". Это что-то из эстетических обоснований, с которыми люди могут быть не согласны, так что я не уверен в том, как это должно быть оценено. В любом случае это не играет роли в объективном определении достижений теории. Как мы говорили в Части I, множество прекрасных теорий оказались не имеющими ничего общего с природой.

Некоторые молодые струнные теоретики утверждают, что даже если теория струн не добьется успеха в конечной унификации, она имеет побочные результаты, которые способствуют нашему пониманию других теорий. Они особенно ссылаются на предположение Малдасены, обсужденное в главе 9, которое обеспечивает способ изучения определенных калибровочных теорий из расчетов, которые легче провести в соответствующей теории гравитации. Это определенно хорошо работает для теорий с суперсимметрией, но, если это должно быть значимо для стандартной модели, это должно хорошо работать и для теорий, которые не имеют суперсимметрии. В этом случае имеются другие техники, и вопрос в том, насколько хорошо предположение Малдасены согласуется с ними. Судьи все еще консультируются. Хорошим проверочным случаем является упрощенная версия калибровочной теории, в которой имеются только два пространственных измерения. Недавно эта задача была решена с использованием техники, которая не имела никакого отношения к суперсимметрии или теории струн. Это также можно изучить через третий подход – грубый расчет на компьютере. Компьютерные вычисления считаются надежными, поэтому они могут служить тестовым испытанием, с которым сравниваются предсказания других подходов. Такое сравнение показывает, что предположение Малдасены не работает так же хорошо, как другие техники.( Совсем недавно эти новые техники были также успешно применены к КХД в случае реального мира с тремя пространственными измерениями)

Некоторые теоретики также указывают на потенциальные достижения в математике, как на основание продолжать работу над струнами. Одно такое потенциальное достижение содержит геометрию шестимерных пространств, которые струнные теоретики изучали как возможные примеры компактифицированных измерений. Это приветствуется, но мы должны ясно представлять, что происходило. Тут не было контакта с физикой. То, что происходило, имело место в чисто математическом плане: теория струн выдвинула предположения, которые имеют отношение к различным математическим структурам. Струнные теории предположили, что свойства шестимерных геометрий могли бы быть выражены как более простые математические структуры, которые могли бы быть определены на двумерных поверхностях, которые струны заметают во времени. Название таких структур – конформные поля. Было предположено, что свойства определенных шестимерных пространств отражаются в структурах этих теорий конформных полей. Это привело к удивительным соотношениям между парами шестимерных пространств. Это чудесный побочный результат из теории струн. Но, чтобы он был полезен, нам не нужно верить, что теория струн является теорией природы. Что касается сути, теория конформных полей играет роль во многих других применениях, включая физику конденсированной материи и петлевую квантовую гравитацию. Так что нет ничего, однозначно связанного с теорией струн.

Имеются другие случаи, в которых теория струн привела к открытиям в математике. В одном очень красивом случае определенная игрушечная модель струнной теории, именуемая топологической теорией струн, привела к поразительному новому прозрению в топологии высокоразмерных пространств. Однако, это само по себе не является подтверждением, что теория струн верна, если речь идет о природе: топологические теории струн являются упрощенной версией теории струн и не объединяют наблюдаемые в природе частицы и силы. В более общем виде, тот факт, что физическая теория инспирирует развитие в математике, не может быть использован как аргумент в пользу истинности теории как физической теории. Ложные теории инициировали многие разработки в математике. Теория эпициклов Птолемея смогла хорошо подстегнуть разработки в тригонометрии и теории чисел, но это не сделало ее правильной. Ньютоновская физика инициировала развитие крупных разделов математики и продолжает делать это, но это не спасло ньютоновскую физику, когда она разошлась с экспериментом. Имеется множество примеров теорий, основанных на прекрасной математике, которые никогда не имели никакого успеха и в которые никогда никто не верил, первая теория планетарных орбит Кеплера является образцовым примером. Так что факт, что некоторые красивые математические предположения были инспирированы исследовательской программой, не может спасти теорию, которая не имеет ясно выраженных центральных принципов и не делает физических предсказаний.

Трудности, перед которыми стоит теория струн, восходят прямо к корням всего предприятия унификации. В первой части книги мы идентифицировали гигантские препятствия, досаждавшие ранним теориям унификации – препятствия, которые привели к их краху. Некоторые из них содержали попытки объединить мир путем введения высших размерностей. Геометрия высших измерений оказалась далекой от однозначности и поврежденной нестабильностями. Основная причина, как мы видели в предыдущих главах, в том, что унификация всегда имеет последствия, которые подразумевают существование новых явлений. В хороших случаях – таких, как теория электромагнетизма Максвелла, электрослабая теория Вайнберга и Салама, СТО и ОТО, – эти новые явления были быстро обнаружены. Это редкие случаи, в которых мы можем праздновать унификацию. В других попытках унификации новые явления не были быстро обнаружены или уже расходились с наблюдениями. Вместо того, чтобы праздновать следствия унификации, теоретик должен хитро постараться спрятать следствия. Я не знаю случаев, когда это утаивание следствий приводило бы в конце к хорошей теории; раньше или позже предпринятая унификация была заброшена.

Как суперсимметрия, так и высшие размерности оказались теми случаями, в которых должны были быть затрачены громадные усилия, чтобы спрятать последствия предложенных унификаций. Оказалось, что нет двух известных частиц, которые связаны суперсимметрией; вместо этого каждая известная частица имеет неизвестного партнера, и вы должны настраивать множество свободных параметров таких теорий, чтобы удержать неизвестные частицы от обнаружения. В случае высших измерений почти все решения теории не согласуются с наблюдениями. Редкие решения, которые обнаруживают нечто похожее на наш мир, являются нестабильными островами в гигантском море возможностей, почти все из которых выглядят совершенно чужими.

Может ли теория струн избежать проблем, которые происходили с более ранними высокоразмерными и суперсимметричными теориями? Это маловероятно, разве что тут имеется намного больше чего прятать, чем это было как в теории Калуцы-Кляйна, так и в суперсимметричных теориях. Механизм, предложенный Стэнфордской группой для стабилизации высших размерностей, может работать. Но стоимость высока, так как он ведет к гигантскому расширению ландшафта предполагаемых решений. Поэтому цена того, чтобы избежать проблем, приговоривших теорию Калуцы-Кляйна, в лучшем случае сводится к тому, чтобы принять точку зрения, которую струнные теоретики изначально отвергали, что гигантское число возможных теорий струн должно быть принято одинаково серьезно и как потенциальное описание природы. Это означает, что исходные надежды на однозначную унификацию, а поэтому на фальсифицируемые предсказания по поводу физики элементарных частиц, должны быть отброшены.

В главе 11 мы обсуждали заявления Сасскайнда, Вайнберга и других, что ландшафт теорий струн может быть грядущей дорогой для физики, и нашли эти заявления неубедительными. Где тогда то, что нам остается? В недавнем интервью Сасскайнд заявил, что ставки таковы, что мы либо принимаем ландшафт и выхолащивание научного метода, которое он подразумевает, либо отбрасываем науку в целом и принимаем разумный замысел (РЗ) как объяснение для выбора параметров стандартной модели:

Если по некоторым непредвиденным причинам ландшафт окажется непоследовательным – может быть, по математическим причинам, или потому, что он разойдется с наблюдениями, – я достаточно уверен, что физики пойдут дальше в поиске естественных объяснений мира. Но я должен сказать, что если это случится при том, как вещи обстоят сегодня, мы будем в очень затруднительном положении. Без какого-либо объяснения природной тонкой настройки мы будем под тяжелым давлением, чтобы ответить на критику со стороны РЗ. Можно утверждать, что надежда на появление в будущем математически однозначного решения столь же основана на (религиозной) вере, как и РЗ. Но это ложный выбор. Как мы коротко увидим, имеются другие теории, которые предлагают настоящие ответы на пять великих вопросов и которые быстро прогрессируют. Отбросить теорию в сторону не означает отбросить науку, это означает только отбрасывание одного направления, которое один раз было фаворитом, но не смогло оправдать возлагавшихся на него надежд, с целью сосредоточить внимание на других направлениях, которые, как сегодня кажется, более вероятно преуспеют.

Теория струн преуспела в достаточно большом количестве вещей, так что будет обоснованным надеяться, что ее часть или, возможно, что-либо подобное ей может составить некоторую будущую теорию. Но имеется также непреодолимое свидетельство, что кое-что было сделано неверно. С 1930х было ясно, что квантовая теория гравитации должна быть фоново-независимой, но все еще достигнут минимальный прогресс по направлению к фоново-независимой формулировке теории струн, которая могла бы описывать природу. Между тем, поиски единственной, однозначной, унифицирующей теории природы привели к предположению о бесконечном числе теорий, ни одна из которых не может быть записана в каких-либо деталях. И, если они непротиворечивы, они приводят к бесконечному числу возможных вселенных. И венчает все, что все версии, которые мы можем изучить в каких-либо деталях, расходятся с наблюдениями. Несмотря на множество соблазнительных предположений, не имеется свидетельств, что теория струн может решить некоторые из больших проблем теоретической физики. Те, кто уверен в предположениях теории, находятся в совершенно отличающейся интеллектуальной вселенной от тех, кто настаивает на уверенности только в том, что поддержано реальными подтверждениями. Сам факт, что такая громадная разница во взглядах продолжает существовать в легитимном поле науки, является индикатором того, что что-то плохо.

Так стоит ли все еще изучать теорию струн, или она должна быть объявлена несостоятельной, как предлагают некоторые? Тот факт, что многие надежды были обмануты и многие ключевые предположения остались недоказанными, может быть достаточно хорошей причиной для некоторых, чтобы оставить работу над теорией струн. Но это не является причиной, чтобы совсем остановить исследования.

Что если когда-нибудь в будущем кто-нибудь найдет способ сформулировать теорию струн, который однозначно приведет к стандартной модели физики частиц, будет фоново-независимым и будет жить только в трехмерном несуперсимметричном мире, который мы наблюдаем? Даже если перспективы найти такую теорию кажутся незначительными, такая возможность есть, – подчеркивая общую мудрость, что диверсификация исследовательских программ является благотворной для науки, момент, к которому мы вернемся позднее.

Так что теория струн определенно находится среди направлений, которые заслуживают большего исследования. Но должна ли она продолжать рассматриваться как доминирующая парадигма теоретической физики? Должна ли большая часть ресурсов, направляемых на решение ключевых проблем в теоретической физике, продолжать поддерживать исследования в струнной теории? Должны ли другие подходы продолжать сидеть на голодном пайке в пользу теории струн? Должны ли только струнные теоретики быть пригодными для большинства престижных рабочих мест и исследовательских сообществ, как это имеет место сейчас? Я думаю, ответ на все эти вопросы должен быть: нет. Теория струн не достаточно успешна на любом уровне, чтобы оправдывать складывание почти всех наших яиц в ее корзину.

А что если нет других достойно работающих подходов? Некоторые струнные теоретики защищают поддержку теории струн, поскольку оня является "единственной игрой в городе". Я должен буду обосновать, что даже если это и так, мы должны будем сильно поощрять физиков и математиков на исследование альтернативных подходов. Если там нет новых идей, ну, тогда будем немного изобретать. Поскольку не имеется надежды, что теория струн в ближайшее время сделает фальсифицируемые предсказания, тут нет особенной спешки. Давайте поощрим людей на поиск быстрейшего пути к ответам на пять ключевых вопросов теоретической физики.

Фактически же имеются другие подходы – другие теории и исследовательские программы, которые нацелены на решение тех же пяти проблем. И, хотя большинство теоретиков сконцентрировались на теории струн, некоторые люди сделали немалый прогресс в развитии этих других областей. Наиболее важно, что имеются намеки на новые экспериментальные открытия, не предугаданные теорией струн, которые, если подтвердятся, сориентируют физику в новых направлениях. Эти новые теоретические и экспериментальные разработки являются темой следующей части книги.

III. За пределами теории струн

13. Сюрпризы реального мира

Греческий философ Гераклит оставил нам прекрасный афоризм: природа любит скрываться. Это так часто верно. У Гераклита не было способа увидеть атом. Не важно, насколько много его приятели-философы рассуждали по этому поводу, увидеть атом было вне пределов любой технологии, которую они могли представить. В наши дни теоретики нашли великое применение склонности природы к загадочности. Если природа на самом деле суперсимметрична или имеет больше трех пространственных измерений, она это хорошо скрывает.

Но иногда верно противоположное. Иногда ключевые вещи находятся прямо перед нами, готовые к наблюдению. Скрытыми от незамысловатого взгляда Гераклита были легко воспринимаемые факты, которые мы теперь принимаем на веру, вроде принципа инерции или постоянного ускорения падающих объектов. Наблюдения Галилея за движениями на Земле не использовали телескопы или механические часы. Насколько я знаю, они могли бы быть проделаны и во времена Гераклита. Он только должен был задать правильные вопросы.

Итак, хотя мы горевали, как тяжело проверять идеи, идущие за теорией струн, нам стоит поинтересоваться, что может быть спрятано вокруг от нашего обычного взгляда. В истории науки было множество примеров открытий, которые удивляли ученых, поскольку они не предугадывались теорией. Нет ли сегодня наблюдений, которые мы, физики, не запрашивали, которые не навлекли на себя теорию, – наблюдений, которые могли бы подвинуть физику в интересном направлении? Нет ли шанса, что такие наблюдения уже были сделаны, но проигнорированы, поскольку, если они подтвердятся, они могли бы помешать нашим теоретизированиям?