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

Фактически, имелись различные версии DSR, которые давали различные предсказания. В некоторых имелась энергия, которую нельзя было превысить, аналогично максимальной скорости света. В других не было максимальной энергии, но был максимальный импульс. Это неудачно, так как это уменьшает предсказательную силу теории, но это, кажется, не портит последовательность теории, так что это нечто, с чем нам надлежит жить.

Непротиворечивость DSR была показана через демонстрацию, что имеется возможная вселенная, в которой она могла бы быть верна. Возможная вселенная подобна нашей собственной с одним отличием, которое в том, что пространство имеет только два измерения. В 1980е было открыто, что квантовая гравитация может быть точно определена в мире с только двумя пространственными измерениями. Мы называем это 2+1 квантовой гравитацией, для двух измерений пространства и одного времени. Более того, если там нет материи, теория может быть решена точно – то есть, можно найти точные математические выражения, которые отвечают на любой вопрос, который может быть задан о мире, который описывает теория.

Оказалось, что DSR верна в любом мире с двумя измерениями пространства, квантовой гравитацией и материей. Особая форма DSR, которая понята, была форма, оригинально открытая Джованни. Когда Джерзи и я просмотрели назад литературу, мы увидели, что некоторые люди находили свойства этого двумерного мира, которые являются аспектами DSR, но они сделали это до того, как концепция DSR была изобретена. Возбужденные, мы описали это Лауренту Фрейделю, коллеге по Пограничному институту из Франции, который работал над квантовой гравитацией. Он сказал нам, что он не только уже знает это, но и пытался поговорить об этом с нами ранее. Я согласен, это верно. В обсуждении Фрейдель имеет больше энергии, чем я, и я обычно перестаю понимать, о чем он говорит, на что он отвечает путем более быстрого и громкого разговора. В любом случае, мы написали вместе статью, которая объяснила, почему DSR должна быть верной во вселенных с двумя измерениями пространства.

Через некоторое время после этого Фрейдель в сотрудничестве с Этерой Ливин, постдоком в Пограничном институте из Французского Таити, показал в деталях, как DSR срабатывает в теории 2+1 мерной гравитации с материей. Это важные результаты, поскольку факт, что имеется модель возможного мира, где DSR верна, гарантирует последовательность теории.

Имеется еще одна проблема, которая должна была быть решена, прежде чем DSR могла бы рассматриваться как жизнеспособная теория. Как отмечалось, во многих версиях имеется максимум энергии, которую частица может иметь, которая обычно принимается за планковскую энергию. Это не есть экспериментальная проблема, поскольку самая большая энергия, которая наблюдалась, была энергия протона в детекторе космических лучей AGASA, которая составляла примерно миллиардную часть от максимума.

Но на первый взгляд кажется, что ограничение должно быть применимо к любым сортам тел: Не только электроны и протоны, но и собаки, звезды и футбольные мячи должны все иметь энергию меньше максимума. Это явно противоречит природе, поскольку любая система с более чем 10¹⁹ протонами имеет энергию больше планковской массы. Собаки имеют около 10²⁵ протонов, звезды даже еще больше. Мы называем это проблемой футбольного мяча.

Проблема футбольного мяча существует в двумерном мире, но нет необходимости решать ее там, поскольку мы не делаем экспериментов в этом мире. В этом мире просто верно, что любой объект имеет энергию меньше планковской, независимо от того, как много частиц его составляют.

Имеется естественное решение проблемы футбольного мяча, которое может сохраниться в нашем мире трех пространственных измерений. Жоао и я предложили это решение раньше. Идея в том, что тело имеет максимум энергии, которая есть одна энергия Планка на каждый протон, который тело содержит. Таким образом, футбольный мяч с примерно 10²⁵ протонами не может иметь энергию больше, чем 10²⁵ планковских энергий. Тогда нет проблем с наблюдениями.

Мы могли бы увидеть, что это решение могло бы работать, но мы не знаем, почему оно должно быть правильным. Объяснение недавно было дано Этерой Ливин и Флорианом Джирелли, другим постдоком из Франции в Пограничном институте. Они нашли изумительный способ переформулировать теорию так, что это решение выпадает. Теперь, когда проблема футбольного мяча решена, нет препятствий, насколько я знаю, чтобы DSR была верна для нашего мира. Она может быть хорошо подтверждена наблюдениями Аугера и GLAST, которые будут сделаны в следующие несколько лет; если нет, это, по меньшей мере, покажет ее ложность, что означает, что DSR является настоящей научной теорией.

Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, какие последствия могли бы быть для различных теорий квантовой гравитации, если СТО нарушается. Мы видели, что такое нарушение может означать две различных вещи, в зависимости от того, что нам говорит эксперимент. СТО могла бы нарушиться полностью на этом масштабе, что реально означало бы, что там имеется абсолютное различие между движением и покоем. Или СТО могла бы сохраниться, но углубиться, как в DSR.

Могла бы теория струн пережить оба изменения? Определенно, все известные теории струн должны были бы оказаться ложными, поскольку они очень сильно зависят от сохранения СТО. Но может все же быть, что имеется версия теории струн, которая могла бы быть последовательной при обоих типах нарушения? Некоторые струнные теоретики убеждали меня, что даже если СТО оказалась бы нарушенной или модифицированной, когда-нибудь может быть изобретена форма теории струн, которая смогла бы приспособить все, что бы ни увидел эксперимент. Они, возможно, правы. Теория струн, как отмечалось, имеет много ненаблюдаемых областей. Имеется множество путей изменить фон теории струн так, что останется преимущественное состояние покоя, так что относительность движения будет неправильной. Вообще, таким образом можно было бы сконструировать версию теории струн, которая согласна с экспериментом.

Как насчет DSR? Могла бы иметься версия теории струн, совместимая с ней? Как было написано, Жоао Магуэйджо и я являемся единственными людьми, кто исследовал этот вопрос, и свидетельства, которые мы получили, двойственны. Мы смогли сконструировать теорию струн, которая удовлетворяет некоторым тестам согласованности, но мы не преуспели в поиске ясного ответа в отношении других тестов.

Итак, хотя все известные версии теории струн согласуются с СТО, может также быть, что, если СТО окажется недействительной, струнные теоретики могут быть в состоянии приспособиться к такому открытию. Что удивляет меня, так это почему струнные теоретики думают, что это поможет их делу. Для меня есть много указаний, что теория струн не в состоянии сделать любое предсказание, поскольку она не более, чем коллекция теорий, по одной для каждого из громадного числа возможных фонов. Вопрос, являющийся предметом наблюдений GLAST и Аугера, заключается в симметрии пространства и времени. В фоново-зависимой теории это решается выбором фона. Пока теория позволяет это, вы можете получить любой ответ, какой вам нужно получить, путем выбора подходящего фона. Это сильно отличается от формирования предсказаний.

Что насчет других подходов к квантовой гравитации? Предсказывает кто-либо нарушение СТО? В фоново-независимой теории ситуация сильно отличается, поскольку геометрия пространства-времени не определяется выбором фона. Эта геометрия должна возникать как следствие решения теории. Фоново-независимый подход к квантовой гравитации должен делать истинное предсказание по поводу симметрии пространства и времени.

Как я обсуждал ранее, если мир имеет два измерения пространства, мы знаем ответ. Там нет свободы; вычисления показывают, что частицы ведут себя в соответствии с DSR. Может ли то же самое быть верным для реального мира с тремя пространственными измерениями? Моя интуиция говорит, что могло бы, и мы имеем результаты в петлевой квантовой гравитации, которые обеспечивают подтверждение, но еще не доказательство, этой идеи. Моя самая необоснованная надежда в том, что этот вопрос может быть урегулирован быстро, прежде чем наблюдения скажут нам, что верно. Было бы чудесно получить реальное предсказание квантовой теории гравитации, а затем показать, что оно ложно недвусмысленным наблюдением. Единственная вещь, которая была бы еще лучше, это если эксперимент подтвердил бы предсказание. В обоих случаях мы делали бы реальную науку.

15. Физика после теории струн

В последних двух главах мы показали, что имеются основания ожидать значительного прогресса в поиске законов природы. Имеются указания, что удивительные экспериментальные открытия могут быть прямо за углом. И далеко идущее расширение теории относительности предлагает предсказания для осуществляемых экспериментов. Верна двойная СТО или нет, это реальная наука, поскольку эксперименты, которые сейчас на полном ходу, или подтвердят, или отвергнут ее основные предсказания.

Теоретики и экспериментаторы, чью работу я описывал в последних двух главах, уже торжественно открыли пост-струнную эру в фундаментальной физике. В этой главе я предприму с вами тур по этому новому миру, освещая самые многообещающие идеи и разработки. Заглянув за пределы теории струн, мы найдем благотворное возрождение фундаментальной теории, сделанное старым способом – через тяжелое, сконцентрированное размышление об основных вопросах, заботливое по отношению как к математике, так и к экспериментальной физике. Во всех пограничных областях – квантовой гравитации, основаниях квантовой физики, физике элементарных частиц и космологии – смелые новые идеи развиваются в тандеме с захватывающими новыми экспериментами. Эти инициативы должны быть взращены, или они умрут незрелыми, но они показывают большие перспективы.

Начнем с области, в которой мы видели быстрый прогресс: с подходов к квантовой гравитации, которые, скорее, включают в себя великое открытие Эйнштейна, что геометрия пространства-времени является динамической и зависящей от обстоятельств, чем уклоняются от него..

Как я несколько раз подчеркивал, недостаточно иметь теорию с гравитонами, сделанными из струн, шевелящихся в пространстве. Нам нужна теория о том, что составляет пространство, независимая от фона теория. Как описывалось ранее, успех ОТО демонстрирует, что геометрия пространства не фиксирована. Она является динамической и эволюционирует во времени. Это основное открытие, которое не может быть отменено, так что любая будущая теория должна заключать его в себе. Теория струн этого не делает, так что, если теория струн обоснована, за ней должна лежать более фундаментальная теория – которая является фоново-независимой. Другими словами, обоснована теория струн или нет, мы все еще должны открыть независимую от фона теорию квантовой гравитации.

К счастью, благодаря трудам последних двадцати лет мы многое знаем о том, как построить такую теорию. Область фоново-независимых подходов к квантовой гравитации берет начало с 1986, точно через два года после первой революции теории струн. Катализатором была публикация физика-теоретика Абэя Аштекара, тогда работавшего в Сиракузском университете, о переформулировке ОТО, которая делает ее уравнения намного проще. Достаточно интересно, он сделал это, выразив теорию Эйнштейна в форме, очень близкой к форме калибровочных теорий – теорий, лежащих в основе стандартной модели физики частиц.

К сожалению, большинство струнных теоретиков не уделило внимания выдающемуся прогрессу, сделанному в области квантовой гравитации за эти последние двадцать лет, так что две области развивались отдельно друг от друга. Это отсутствие контактов может показаться странным постороннему. Оно определенно кажется странным мне, поэтому я делал все, от меня зависящее, чтобы изменить его, убеждая каждое сообщество в достоинствах другого. Но я не могу сказать, что я достиг большого успеха. Отказ людей, которые работают над одной и той же проблемой с разных точек зрения, общаться друг с другом является частью того, что привело меня к уверенности, что физика находится в кризисе – и к тяжелым раздумьям о том, как ее спасти.

Вся атмосфера области квантовой гравитации отличается от атмосферы теории струн. Тут нет гранидиозных теорий, нет прихотей или моды. Здесь есть просто немного очень хороших людей, тяжело работающих над несколькими тесно связанными идеями. Имеется несколько направлений исследований, но имеются также некоторые объединяющие идеи, что придает этой области слаженность в целом.

Главная объединяющая идея проста для постановки: не стартовать с пространства или с чего-либо, движущегося в пространстве. Стартовать с чего-либо, что является чисто квантово-механическим и имеет, вместо пространства, некоторый вид чисто квантовой структуры. Если теория верна, тогда пространство должно возникать, представляя некоторые усредненные свойства структуры, – в том же смысле, как температура возникает как представление усредненного движения атомов.

Таким образом, многие квантово-гравитационные теоретики уверены, что имеется более глубокий уровень реальности, на котором пространство не существует (это есть доведение фоновой независимости до ее логического предела). Поскольку теория струн требует существования фоново-независимой теории, чтобы иметь смысл, многие струнные теоретики указывали, что они согласны. В определенном ограниченном смысле, если сильная форма предположения Малдасены (см. главу 9) окажется верной, девятимерная геометрия возникнет из фиксированной трехмерной геометрии. Таким образом, не удивительно слышать слова Эдварда Виттена, которые он недавно произнес в Институте теоретической физики Кавли в Университете Калифорнии, Санта Барбара, что "большинство струнных теоретиков допускают, что пространство-время является "эмерджентным феноменом" на языке физики конденсированной материи."

Некоторые струнные теоретики, наконец, начали принимать во внимание этот момент, и можно только надеяться, что они доведут до конца изучение конкретных результатов, которые уже были получены. Но, фактически, большинство людей в квантовой гравитации имеют в виду нечто более радикальное, чем предположение Малдасены.

Начальная точка не имеет ничего общего с геометрией. Что имеют в виду многие из нас, когда мы говорим, что пространство является эмерджентным, это что континуум пространства является иллюзией. Точно так же, как кажущаяся гладкость воды или шелка скрывает факт, что вещество сделано из дискретных атомов, мы полагаем, что гладкость пространства не является реальным и что пространство возникает как приближение чего-то, состоящего из строительных блоков, которые мы можем оценить. В некоторых подходах просто предполагается, что пространство сделано из дискретных "атомов"; в других это предположение строго выводится путем комбинирования принципов ОТО и квантовой теории.

Другая объединяющая идея заключается в важности причинности. В ОТО пространственно-временная геометрия говорит лучам света, как распространяться. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, раз уж вы знаете, как распространяется свет, вы можете определить, какие события могут быть причиной отдельных событий. Если даны две происходящие вещи, первая может быть причиной второй, только если частица, распространяющаяся от первой ко второй, движется со скоростью света или медленнее, чем скорость света. Таким образом, пространственно-временная геометрия содержит информацию о том, какие события являются причиной каких других событий. Об этом говорят, как о причинной структуре пространства-времени.

Дело не только в том, что пространственно-временная геометрия определяет, чем являются причинные связи. Это может быть перевернуто: причинные связи могут определять пространственно-временную геометрию, поскольку большая часть информации, которая вам нужна, чтобы определить геометрию пространства-времени, фиксирована, если вы знаете, как перемещается свет.

Легко говорить о пространстве или пространстве-времени, возникающем из чего-то более фундаментального, но те, кто попытался развить эту идею, нашли ее трудной для реализации на практике. На самом деле несколько ранних подходов потерпели неудачу. Мы теперь уверены, что они потерпели неудачу потому, что они игнорировали роль, которую причинность играет в пространстве-времени. Сегодня многие из нас, работая над квантовой гравитацией, уверены, что причинность сама является фундаментальной – и, таким образом, имеет смысл даже на уровне, где понятия пространства и времени исчезают.