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

Самые успешные на сегодняшний день подходы к квантовой гравитации объединяют эти три базовые идеи: что пространство является эмерджентным, что более фундаментальное описание дискретно и что это описание содержит причинность в некотором фундаментальном смысле.

Текущее изучение квантовой гравитации в некоторых отношениях аналогично физике столетней давности, когда люди были уверены в атомах, но не знали деталей атомной структуры. Но, несмотря на это неведение, Людвиг Больцман, Эйнштейн и другие смогли довольно много понять о веществе, используя только факт, что оно состоит из атомов. Ничего больше не зная, кроме приблизительного размера атома, они даже смогли сделать предсказания наблюдаемых эффектов. Аналогично, мы смогли вывести важные результаты из простых моделей, основанных только на трех принципах эмерджентности, дискретности и причинности. Фиксируя наше незнание деталей, эти модели делают простейшие возможные предположения о дискретных единицах пространства-времени, а затем смотрят, что из них может получиться.

Самая успешная из этих моделей была придумана Ренатой Лолл и Яном Aмбьорном и названа причинными динамическими триангуляциями. Это, возможно, слишком техническое название для подхода с очень простой стратегией, которая заключается в представлении базовых причинных процессов простыми строительными блоками, которые на самом деле выглядят как кубики, с которыми играют дети (см. Рис. 14). Это может быть названо подходом Бакминстера Фуллера. Главная идея в том, что пространственно-временная геометрия выстроена в виде кучи большого количества блоков, каждый из которых представляет простой причинный процесс. Имеется несколько простых правил, которые управляют тем, как блоки могут свалиться в кучу, и простая формула, которая дает квантово-механическую вероятность для каждой такой модели квантового пространства-времени.

Одно из правил, которые постулировали Лолл и Эмбьорн, заключается в том, что каждое квантовое пространство-время должно рассматриваться как последовательность возможных пространств, которые сменяются одно за другим, подобно тиканию универсальных часов. Утверждается, что временная координата произвольна, как и в ОТО, но факт, что история мира может рассматриваться как последовательность геометрий, которые сменяют одна другую во времени, отсутствует.

Задавая это ограничение плюс несколько простых правил, они получили существенное свидетельство, что классическое пространство-время с его тремя измерениями пространства и одним времени возникает из простой игры по собиранию кубиков. Это до сих пор лучшее свидетельство в фоново-независимой квантовой теории гравитации, что классическое пространство-время с тремя измерениями пространства может появляться из чисто квантового мира, основанного только на дискретности и причинности. В особенности, Амбьорном и другими было показано, что если не установлено ограничение в отношении причинности, то классическая пространственно-временная геометрия не возникает.

Одним из следствий этих результатов было то, что большинство широко распространенных идей по поводу квантовой гравитации, фактически, были неправильными. Например, Стивен Хокинг и другие использовали утверждение, что причинная структура является несущественной, и что вычисления в квантовой гравитации могут быть проведены при игнорировании разницы между временем и пространством – разницы, которая существует даже в теории относительности, – и трактовке времени, как если бы оно было просто другим измерением пространства. Это Хокинг и имел в виду в тех таинственных заявлениях в своей книге Краткая история времени, что время является "воображаемым". Результаты Амбьорна и Лолл показывают, что эта идея неверна.

До их работы некоторые люди исследовали идею, что фундаментальные строительные кирпичики пространства-времени должны содержать причинность, но никто не дошел до теории, из которой можно было бы показать появление классического пространства-времени. Одна такая формулировка, названная теорией причинного ряда, выбирала фундаментальные единицы пространства-времени в виде голых событий, чьими единственными атрибутами были списки других событий, которые могли бы быть их причиной и причиной которых могли бы быть они. Эти идеи были даже проще, чем модели Лолл и Амбьорна, поскольку тут не было требования глобальной последовательности во времени. До сих пор было невозможно показать возникновение классического пространства-времени из этой теории.

Однако имелся один важный триумф теории причинного ряда, который заключался в том, что она, кажется, решила проблему космологической константы. Путем простого предположения, что классический мир возникает из теории причинного ряда, физик Сиракузского университета Рафаэль Д. Соркин и его сотрудники предсказали, что космологическая константа должна быть примерно столь же мала, как впоследствии и показали наблюдения. Насколько я осведомлен, до сегодняшнего дня это единственное чистое решение проблемы космологической константы. Одно это решение плюс добавление теории, базирующейся на таких простых предположениях, делает это исследовательской программой, которая заслуживает продолжения поддержки.

Английский математический физик Роджер Пенроуз также предложил подход к квантовому пространству-времени, базирующийся на принципе, что на самом деле фундаментальными являются отношения причинности. Его подход называется теорией твисторов. Он и несколько приверженцев работали над ним с 1960х. Подход базируется на обращении обычного способа рассмотрения событий в пространстве-времени. Традиционно рассмативают, что происходит как исходное, и взаимоотношения между ним и тем, что происходит как вторичное. Таким образом, события реальны, а причинные взаимоотношения между событиями являются просто свойствами событий. Пеонроуз нашел, что этот способ взгляда на вещи может быть перевернут. Вы можете принять элементарные причинные процессы как фундаментальные, а затем определять события в терминах соответствий между причинными процессами. Более точно, вы можете создать новое пространство, состоящее из всех световых лучей в пространстве-времени. Затем вы можете перенести всю физику в это пространство световых лучей. Результатом является немыслимо красивая конструкция, которую Пенроуз назвал пространством твисторов.

Первые двадцать лет после того, как Пенроуз ее предложил, теория твисторов быстро развивалась. Удивительным и красивым образом многие из основных уравнений физики смогли быть переписаны в терминах пространства твисторов. На самом деле казалось, как если бы вы могли рассматривать световые лучи как самые фундаментальные вещи, а пространство и время просто как аспекты отношений между ними. Тут имелся также прогресс в унификации, поскольку уравнения, описывающие разные виды частиц, приобретали одну и ту же простую форму, когда записывались в терминах пространства твисторов. Теория твисторов частично реализовала идею, что пространство-время может возникать из другой структуры. События нашего пространства-времени оказываются определенными поверхностями, подвешенными в пространстве твисторов. Геометрия нашего пространства-времени также возникает из структуры пространства твисторов.

Но с этой картиной имеются проблемы. Главная из них в том, что пространство твисторов понято только в отсутствие квантовой теории. И, хотя пространство твисторов очень отличается от пространства-времени, оно является гладкой геометрической структурой. До сих пор никто не знает, на что похоже квантовое пространство твисторов. Имеет ли смысл квантовая теория твисторов и будет ли возникать из него пространство-время, еще нужно показать.

Центром теории твисторов в 1970е был Оксфорд, и я был одним из многих, кто выкраивал время, чтобы провести его здесь. Я находил тут пьянящую атмосферу, не похожую на атмосферу, которая позже выработалась в центрах по струнной теории. Пенроузом глубоко восхищались, как будут позже Эдвардом Виттеном. Я сталкивался с экстремально талантливыми молодыми физиками и математиками, которые пылко верили в теорию твисторов. Некоторые пришли к известности как математики.

Теория твисторов определенно привела к важным успехам в математике. Она дала нам более глубокое понимание некоторых важных уравнений физики, включая главные уравнения теории Янга-Миллса, которые являются основой стандартной модели физики частиц. Теория твисторов также дала нам глубокое и ошеломляюще красивое понимание определенного набора решений ОТО Эйнштейна. Эти прозрения оказались важными в некоторых других разработках, включая петлевую квантовую гравитацию.

Но теория твисторов до сих пор не развилась в жизнеспособный подход к квантовой гравитации – главным образом, потому, что она не нашла способа включить в себя большую часть ОТО. Однако, Пенроуз и несколько коллег все еще не отбрасывают ее. И несколько струнных теоретиков, возглавляемых Виттеном, недавно начали работать над ней, привнеся в пространство твисторов некоторые новые методы, которые быстро двинули вещи вперед. Этот подход до настоящего времени не помог теории твисторов развиться в квантовую теорию гравитации, но он революционизировал изучение калибровочных теорий – указание, если это кому-нибудь нужно, на то, что было ошибкой так долго пренебрегать теорией твисторов.

Роджер Пенроуз не единственный первоклассный математик, который придумал свой собственный подход к квантовой гравитации. Возможно, величайший из живущих математиков – и, определенно, самый странный – это Ален Конне, который является сыном руководителя детективов из Марселя и работает большую часть своей жизни в Париже. Я люблю разговаривать с Аленом. Я не всегда понимаю всего, что он говорит, но я ухожу с головокружением как от глубины его идей, так и от абсурдности его шуточек. (К этому склоняются все разговоры, даже когда они идут о черных дырах или ужасных многообразиях Калаби-Яу.) Однажды он прервал выступление на конференции по квантовой космологии требованием, чтобы для оказания почтения мы все должны вставать всякий раз, когда упоминается вселенная. Но если я не всегда понимаю Алена, он всегда понимает меня; он один из тех людей, которые думают так быстро, что они заканчивают ваше высказывание за вас и постоянно усовершенствуют то, о чем вы собирались говорить. Еще он настолько расслаблен и уверен в себе и своих идеях, что в нем нет ни грамма соперничества, и он проявляет искреннее любопытство к идеям других.

Подход Алена к квантовой гравитации восходил к основам и к изобретению новой математики, которая полностью объединяет математические структуры геометрии и квантовую теорию. Это математика, на которую я ссылался в главе 14, названа некоммутативной геометрией. Слово "некоммутативная" указывает на тот факт, что величины в квантовой теории представляются объектами, которые не коммутируют: То есть, АВ не равно ВА. Некоммутативность квантовой теории тесно связана с фактом, что вы не можете измерить положение частицы и ее импульс одновременно. Но это кажется противоречащим сущности геометрии, которая стартует от наглядного образа поверхности. Именно способность формировать наглядный образ подразумевает полную определенность и полное знание. Сделать версию чего-то, подобного геометрии, построенной на вещах, которые не могут быть известны одновременно, на самом деле являлось основательным шагом. Что убеждает в ней, так это то, что она предлагает новую унификацию некоторых областей математики, одновременно продвигаясь вперед как подходящая математика для следующего этапа в физике.

Некоммутативная геометрия обнаруживалась в нескольких подходах к квантовой гравитации, включая теорию струн, DSR и петлевую квантовую гравитацию. Но ни один подход не охватил глубины оригинальной концепции Конне, которую он и несколько математиков, большей частью во Франции, продолжают развивать. Различные ее версии, которые появляются в других программах, основываются на поверхностных идеях, таких как выразить координаты пространства и времени в некоммутативных величинах. Идея Конне намного глубже; она заключается в унификации оснований алгебры и геометрии. Она могла бы быть изобретением только того, кто не просто изучает математику, но стратегически и творчески мыслит по поводу структуры математического знания и его будущего.

Подобно старым твисторным теоретикам, несколько последователей, которыми обзавелся Конне, являются его ярыми сторонниками. Для конференции по различным подходам к квантовой гравитации в Университете штата Пенсильвания Ален порекомендовал известного старейшего французского физика по имени Дэниэл Кастлер. Джентльмен за неделю до конференции прервал свое путешествие, попав в велокатастрофу, но он выкарабкался из госпиталя и добрался до Марсельского аэропорта, прибыв точно вовремя, чтобы открыть заседание следующим заявлением: "Имеется один истинный Ален, и я пророк его". Струнные теоретики являются не единственными, кто имеет своих истинных верующих, но некоммутативные геометры, несомненно, имеют лучшее чувство юмора.

Один из успехов некоммутативной геометрии в том, что она приводит непосредственно к стандартной модели физики частиц. Как открыли Ален и его коллеги, если вы берете максвелловскую теорию электромагнетизма и записываете ее в простейшей возможной некоммутативной геометрии, выскакивает модель Вайнберга-Салама, объединяющая электромагнетизм со слабыми ядерными силами. Другими словами, слабые взаимодействия вместе с Хиггсовыми полями обнаруживаются автоматически и корректно.

Вспомним из главы 2, что один из способов сказать, является ли особое объединение успешным, заключается в том, что там немедленно появляется обоснование, что теория согласуется с природой. Тот факт, что правильная унификация слабой и электромагнитной сил происходит из простейшей версии идеи Конне, является неотразимым. Это разновидность вещи, которая могла бы произойти с теорией струн, но не произошла.

Имеется другой набор подходов, которые фокусируются на том, как могли бы классическое пространство-время и физика частиц возникнуть из лежащей в основании дискретной структуры. Эти модели разрабатывались физиками из теории конденсированной материи, такими как Роберт Лафлин из Стэнфорда, Григорий Воловик из Хельсинского технологического университета и Ксао-Гань Вэн из Массачусетского технологического института. Недавно эти подходы были подхвачены молодыми людьми в квантовой гравитации, такими как Олаф Дрейер. Эти модели примитивны, но они показывают, что аспекты СТО, такие как универсальность и верхний предел скорости, могут появляться из определенных видов дискретных квантовых систем. Одно провокационное утверждение Воловика и Дрейера заключается в том, что проблема космологической константы решена – поскольку, прежде всего, она никогда не была на самом деле проблемой. Они утверждают, что идея, что здесь была проблема, была ошибкой, следствием слишком серьезного восприятия фоново-зависимых теорий. Ошибка, утверждают они, возникает из разделения на части основных переменных теории и трактовки некоторых из них как замороженного фона, а других как квантовых полей. Если они правы в отношении этого, это будет самым важным результатом, который был получен от квантовой гравитации за много лет.

Все подходы, которые я описал, являются независимыми от фона. Некоторые начинают с предположения, что пространство-время составлено из дискретных строительных кирпичиков. Одному подходу удалось сделать лучше и показать, что дискретность пространства и времени является следствием соединения вместе принципов квантовой теории и теории относительности. Это то, чего достигла петлевая квантовая гравитация. Она так и начала с революционной переформулировки Аштекаром эйнштейновской ОТО в 1986. Мы нашли, что, не добавляя входных данных, но просто переписав теорию Эйнштейна в терминах нового набора переменных, стало возможным точно вывести, что такое квантовое пространство-время.

Ключевая идея, стоящая за петлевой квантовой гравитацией, на самом деле стара, что мы уже обсуждали в главе 7. Это идея описания поля, подобного электромагнитному полю, прямо в терминах линий этого поля. (Слово "петлевая" возникает из того факта, что в отсутствие вещества линии поля могут замыкаться, формируя петли.) Это было предвидение Хольгера Нильсена, Александра Полякова и Кеннета Вильсона, и это была одна из идей, которая привела к теории струн. В своей основе теория струн является развитием этой провидческой идеи в контексте фиксированного фона пространства и времени. Петлевая квантовая гравитация есть та же самая идея, но развитая в полностью фоново-независимой теории.

Этот труд стал возможным благодаря великому открытию Аштекара, что ОТО могла бы быть выражена на языке, подобном языку калибровочных полей. Метрика пространства-времени тогда оказывается чем-то подобным электрическому полю. Когда мы пытаемся рассмотреть соответствующие силовые линии квантово-механически, мы вынуждены рассматривать их без фона, поскольку его нет – полевые линии уже описывают геометрию пространства. Раз уж мы сделали их квантово-механически, классической геометрии не остается. Так что мы заново изобрели квантовую теорию поля, чтобы работать без фоновой метрики. Чтобы сократить длинную историю, это пытались сделать многие люди с различными уровнями по физике и математике, но мы преуспели. Результат является петлевой квантовой гравитацией.

Итоговая картина очень проста. Квантовая геометрия есть определенный вид графа (см. Рис. 15). Квантовое пространство-время есть последовательность событий, по которым эволюционирует граф через локальные изменения в своей структуре. Это лучше всего иллюстрируется примерами, которые показаны на Рис. 16.

Теория приводит ко многим успехам. Она оказывается конечной в трех смыслах:

1. Квантовая геометрия конечна, так что площади и объемы выражаются в дискретных единицах.