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

2. Когда вы вычисляете вероятности для квантовой геометрии эволюционировать в направлении различных историй, они всегда предстают конечными (по меньшей мере, в определенной формулировке теории, именуемой моделью Барретта-Гране).

3. Когда теория присоединяется к главной теории, такой как стандартная модель физики частиц, бесконечности, которые исходно возникают, переводятся в конечные величины: то есть, без гравитации вы должны проводить специальную процедуру, чтобы изолировать бесконечные выражения и перевести их в разряд ненаблюдаемых; с гравитацией просто нет бесконечных выражений.

Нужно подчеркнуть, что тут нет неопределенности, связанной с предварительными установками. Главные результаты петлевой квантовой гравитации обеспечиваются строгими теоремами.

Самый большой вызов, который с самого начала стоял перед петлевой квантовой гравитацией, заключался в объяснении, как возникает классическое пространство-время. В последние несколько лет был достигнут важный прогресс в этой проблеме, частично благодаря изобретению новых приблизительных процедур. Они показали, что теория имеет квантовые состояния, описывающие вселенные, где геометрия является в хорошем приближении классической. Важный шаг был предпринят год назад Карло Ровелли из Центра теоретической физики в Марселе и его коллегами, они нашли строгое подтверждение, что петлевая квантовая гравитация предсказывает, что две массы должны притягиваться друг к другу в точности тем образом, как это установлено законом Ньютона. Эти результаты также указывают, что при низких энергиях теория имеет гравитоны, так что петлевая квантовая гравитация на самом деле является теорией гравитации.

Сегодня предпринимается много усилий, чтобы применить петлевую квантовую гравитацию к явлениям реального мира. Имеется точное описание горизонта черной дыры, в рамках которого получается правильная энтропия. Эти результаты согласуются со старыми предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, что черные дыры имеют энтропию и температуру (см. главу 6). Как я писал, одной из горячих тем среди аспирантов и постдоков является предсказание модификаций результата Хокинга для термодинамики черных дыр, которые, когда будут измерены при некотором будущем изучении физической черной дыры, смогли бы подтвердить или фальсифицировать петлевую квантовую гравитацию.

Петлевая квантовая гравитация является также основой для моделей, которые позволяют изучать сильно изменяющиеся во времени геометрии внутри черных дыр. Несколько вычислений дают свидетельство, что сингулярности внутри черных дыр удаляются. Таким образом, время может продолжаться и за пределами точки, в которой классическая ОТО предсказывает, что оно должно закончиться. Где это происходит? Это, кажется, происходит внутри вновь созданных областей пространства-времени. Сингулярность заменяется тем, что мы называем пространственно-временным отскоком. Прямо перед отскоком материя внутри черной дыры сжимается. Сразу после отскока она расширяется, но внутрь нового региона, который не существовал ранее. Это очень удовлетворительный результат, так как он подтверждает ранние рассуждения Брюса ДеВитта и Джона Арчибальда Уилера. Та же самая техника использовалась, чтобы изучить, что происходит в самой ранней вселенной. И опять теоретики нашли подтверждение, что сингулярность устраняется, что означает, что вселенная существовала и до Большого Взрыва.

Устранение сингулярности в черных дырах обеспечивает естественный ответ на информационный парадокс Хокинга для черных дыр. Как отмечалось в главе 6, информация не теряется; она переходит в новый регион пространства-времени.

Проверка того, что петлевая квантовая гравитация дает нам по поводу очень ранней вселенной, заключается в возможности рассчитать предсказания для реальных наблюдений. Два постдока в Пограничном институте, Стефан Хофманн и Оливер Винклер, недавно смогли вывести точные предсказания для квантово-гравитационных эффектов, которые могут быть обнаружены в будущих наблюдениях космического микроволнового фона.

Теоретики также заняты попытками предсказать, что мы можем увидеть в экспериментах Аугера и GLAST, оба из которых укажут, нарушается ли СТО при планковских энергиях. Одно из великих преимуществ фоново-независимых подходов заключается в их способности делать предсказания для таких экспериментов. Сохраняется или нарушается принцип относительности инерциальных систем отсчета? Модифицируется ли он, как в теориях DSR? Как я подчеркивал, ни одна фоново-зависимая теория не может делать реальные предсказания для этих экспериментов, поскольку ответ на вопрос уже получен выбором фона. Теория струн, в особенности, предполагает, что относительность инерциальных систем остается верной в исходной форме, которую дал Эйнштейн в СТО.

Только фоново-независимые подходы могут сделать предсказание о судьбе принципов СТО, поскольку свойства классического пространства-времени возникают как решение динамической проблемы.

Петлевая квантовая гравитация обещает быть способной делать уверенные предсказания. В моделях, в которых пространство имеет только два измерения, это уже сделано: предсказано, что DSR верна. Имеются указания, что то же самое предсказание сохранится и для нашего трехмерного мира, но до сегодняшнего дня для этого нет убедительных доказательств.

Как насчет других больших проблем, таких как объединение частиц и сил? До недавнего времени мы думали, что петлевая квантовая гравитация мало что может сказать о других проблемах, отличных от квантовой гравитации. Мы могли бы ввести материю в теорию, и хорошие результаты не должны были бы измениться. Если бы мы захотели, мы могли бы ввести всю стандартную модель физики частиц – или любую другую модель физики часиц, которую мы хотели изучить, – но мы не думали, что петлевая квантовая гравитация может внести что-то особенное в проблему объединения. Совсем недавно мы поняли, что мы ошибались по этому поводу. Петлевая квантовая гравитация уже имеет в себе элементарные частицы, и недавние результаты наводят на мысль, что это в точности правильная физика частиц: стандартная модель.

Год назад Фотини Маркопоулоу предложила новый способ подхода к проблеме, как из более фундаментальной теории может возникать геометрия пространства. Маркопоулоу молодой физик, работающая в квантовой гравитации, которая чаще всех удивляет меня невероятными идеями, которые оказываются правильными, и эта была одна из ее лучших идей. Вместо того, чтобы прямо спрашивать, может или нет геометрия квантового пространства-времени появиться как классическое пространство-время, она предложила отличающийся подход, основанный на идентификации и изучении движения частиц в квантовой геометрии. Ее идея была, что частица должна быть некоторым видом эмерджентного возбуждения квантовой геометрии, путешествующего через геометрию, почти как волна путешествует через твердое тело или жидкость. Однако, чтобы была воспроизведена известная нам физика, эти эмерджентные частицы должны описываться как чисто квантовые частицы, игнорируя квантовую геометрию, через которую они путешествуют.

Обычно, когда частица находится во взаимодействии с окружением, информация о ее состоянии рассеивается в окружении – мы говорим, что наступает декогерентность. Тяжело предотвратить воозникновение этой декогерентности; в этом, кстати, причина, почему тяжело сделать квантовый компьютер, который для своей эффективности зависит от нахождения частиц в чистом квантовом состоянии. Люди, которые делают квантовые компьютеры, имеют идеи о том, когда квантовая система будет оставаться в чистом состоянии, даже будучи в контакте с окружением. Во время работы с экспертами в этой области Маркопоулоу поняла, что их наработки применимы к проблеме, как квантовая частица могла бы возникнуть из квантового пространства-времени. Она обратила внимание, что, чтобы вытащить предсказания из теорий квантовой гравитации, вы можете идентифицировать такую квантовую частицу и показать ее движение, как если бы она была в обычном пространстве. В ее аналогии окружением является квантовое пространство-время, которое, будучи динамическим, постоянно изменяется. Квантовая частица должна двигаться через него, как будто бы оно было фиксированным, нединамическим фоном.

Используя эти идеи, Маркопоулоу и ее сотрудники смогли показать, что некоторые фоново-независимые теории квантовой гравитации имеют эмерджентные частицы. Но что это за частицы? Соответствуют ли они чему-либо, что наблюдается?

Вначале проблема казалась трудной, поскольку квантовая геометрия, предсказываемая петлевой квантовой гравитацией, очень сложна. Состояния частиц ассоциируются с графами, растянутыми в трехмерном пространстве. Пространство является фоном, но оно не имеет свойств, кроме своей топологии; вся информация об измерениях геометрии – вроде длин, площадей и объемов – происходит от графов. Но поскольку графы растянуты в пространстве, теория содержит в себе очень много дополнительной информации, которая, кажется, не должна ничего делать с геометрией. Это происходит вследствие бесконечного числа способов, которыми ребра графов могут запутываться, связываться и заплетаться в трехмерном пространстве.

В последнюю весну (2006) мне случилось увидеть препринт молодого австралийского физика, занимающегося частицами, по имени Сандэнс О. Бильсон-Томпсон. В нем он представил простое сплетение лент, которое совершенно замечательно точно ухватывает структуру преонных моделей физики частиц, которые я обсуждал в главе 5. (Вспомните, что эти модели постулируют гипотетические частицы, называемые преонами, как фундаментальные составляющие протонов, нейтронов и других частиц стандартной модели, считавшихся элементарными.) В его модели преон есть лента, и различные виды преонов соответствуют лентам, закрученным вправо, влево или совсем никак. Три ленты могут быть сплетены вместе, и различные способы сделать это точно соответствуют различным частицам стандартной модели.

Как только я прочитал статью, я понял, что это была недостающая идея, поскольку все плетения, которые изучал Бильсон-Томпсон, могли бы возникнуть в петлевой квантовой гравитации. Это означает, что различные способы сплести и запутать ребра графов в квантовом пространстве-времени должны быть различными видами элементарных частиц. Так что петлевая квантовая гравитация относится не только к квантовому пространству-времени – она уже содержит в себе физику элементарных частиц. И если бы мы могли обнаружить игру Бильсона-Томпсона точно работающей в теории, это было бы правильной физикой элементарных частиц. Я спросил Маркопоулоу, а не могут ли его плетения быть ее когерентными возбуждениями. Мы пригласили Бильсона-Томпсона к сотрудничеству с нами, и после нескольких фальш-стартов увидели, что утверждение на самом деле работает во всех направлениях до конца. Сделав некоторые умеренные предположения, мы нашли, что преонная модель описывает простейшее из этих частицеподобных состояний в классе теорий квантовой гравитации.

Этот результат поднял много вопросов, и ответить на них теперь является моей главной целью. Слишком рано говорить, работает ли это достаточно хорошо, чтобы дать недвусмысленные предсказания для грядущих экспериментов на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Но одна вещь ясна. Теория струн больше не является единственным подходом к квантовой гравитации, который также унифицирует элементарные частицы. Результаты Маркопоулоу означают, что многие независимые от фона квантовые теории гравитации содержат в себе элементарные частицы как эмерджентные состояния. И данная теория не приводит к громадному ландшафту возможных теорий. Скорее, она показывает перспективы, ведущие к однозначным предсказаниям, которые или будут в согласии с экспериментом, или нет. Самое важное, она избегает необходимости подвергать ревизии научный метод через призывание антропного принципа, что защищают Леонард Сасскайнд и другие (см. главу 11). Наука, действуя старым способом, движется вперед.

Понятно, имеются различные подходы к пяти фундаментальным проблемам физики. Область фундаментальной физики вне теории струн быстро прогрессирует, причем в нескольких направлениях, включающих, но не ограничивающихся причинными динамическими триангуляциями и петлевой квантовой гравитацией. Как и в любой здоровой области науки, имеется живое взаимодействие как с экспериментом, так и с математикой. Хотя в этих исследовательских программах работает не так много людей, как в теории струн, – возможно, две сотни, включая всех, – однако, достаточно много людей энергично подключаются к фундаментальным проблемам на границах науки. Большие скачки двадцатого столетия были сделаны очень немногими. Когда дело идет к революционизированию науки, значение имеет качество мышления, а не количество истинных верующих.

Однако, я хочу пояснить, что в этой новой "послеструнной" атмосфере нет ничего, что исключает изучение теории струн самой по себе. Идея, на которой она основана, – дуальность полей и струн – разделяется, как я обращал внимание, и петлевой квантовой гравитацией. К существующему кризису в физике привела не эта стержневая идея, а особый вид ее реализации, разработанный в зависимом от фона контексте – контексте, который навязывает рискованные предположения, такие как суперсимметрия и высшие измерения. Нет причин, почему бы другой подход к теории струн – более близкий к основополагающим проблемами, вроде независимости от фона и проблемам квантовой теории – не мог бы быть частью конечной истории. Но чтобы узнать это, теория струн нуждается в развитии в открытой атмосфере, в которой она рассматривается как одна идея среди нескольких, без какого-либо исходного допущения о ее окончательном успехе или неудаче. С чем новый дух физики не может быть согласен, так это с презумпцией, что одна идея имеет успех, какие бы ни были свидетельства.

Хотя сегодня среди теоретиков по квантовой гравитации есть возбуждающее ощущение прогресса, имеется также сильное ожидание, что дорога вперед принесет, по меньшей мере, несколько сюрпризов. В отличие от струнных теоретиков в веселые дни двух суперструнных революций, немного людей, работающих в квантовой гравитации, уверены, что они имеют в руках конечную теорию. Мы осознаем, что достижения независимых от фона подходов к квантовой гравитации являются необходимым этапом в завершении революции Эйнштейна. Они показывают, что может существовать последовательный математический и концептуальный язык, который объединяет квантовую теорию и ОТО. Это дает нам нечто, чего не дает теория струн, а именно возможную схему, в которой можно сформулировать теорию, которая решит все пять проблем, список который я привел в главе 1. Но мы объективно уверены, что мы еще не имеем все кусочки картины. Даже с недавними успехами еще нет идеи, которая была бы абсолютно правдоподобна.

Когда вы оглядываетесь назад на историю физики, замечается одна вещь: Когда, наконец, предлагается конечная теория, она быстро достигает триумфа. Несколько действительно хороших идей по унификации появились в форме, которая убедительна, проста и однозначна; они не пришли со списком вариантов или настраиваемых свойств. Ньютоновская механика определена тремя простыми законами, ньютоновская гравитация простой формулой с одной константой. СТО была совершенной, когда появилась. Могло потребоваться двадцать пять лет для формулирования квантовой механики, но с самого начала она развивалась в согласии с экспериментом. Многие из ключевых статей по этой теме с 1900 года или объясняли недавние экспериментальные результаты, или делали определенные предсказания для экспериментов, которые были в короткое время проведены. То же самое верно и для ОТО.

Таким образом, все восторжествовавшие теории имели следствия для эксперимента, которые было легко разработать и которые могли быть проверены в течение нескольких лет. Это не означает, что теории могли бы быть решены точно – большинство теорий точно не решатся никогда. Но это означает, что физическое прозрение немедленно приводит к предсказанию нового физического эффекта.

Чего бы другого не говорили о теории струн, петлевой квантовой гравитации и других подходах, они не добились обещанного на этом фронте. Стандартное извинение, что эксперименты на этих масштабах невозможно провести, – но, как мы видели, это не так. Так что должна быть другая причина. Я уверен, что имеется нечто основополагающее, что мы упускаем, некоторое ошибочное предположение, которое мы все делаем. Если это так, тогда нам нужно изолировать ошибочное предположение и заменить его новой идеей.

Что может быть таким ошибочным предположением? Моя догадка, что оно содержит две вещи: основания квантовой механики и природу времени. Мы уже обсуждали первое; я нахожу многообещающим, что недавно были предложены новые идеи по поводу квантовой механики, мотивированные изучением квантовой гравитации. Но я сильно подозреваю, что ключом является время. Все больше и больше я чувствую, что квантовая теория и ОТО обе глубоко ошибаются по поводу природы времени. Не достаточно объединить их. Имеется более глубокая проблема, возможно, восходящая назад к истокам физики.

Примерно в начале семнадцатого столетия Декарт и Галилей оба сделали самое удивительное открытие: Вы можете нарисовать график с одной осью, представляющей пространство, и с другой, являющейся временем. Тогда движение через пространство становится кривой на этом графике (см. Рис.17). Таким образом, время представляется, как если бы оно было еще одним измерением пространства. Движение заморожено, вся история постоянного движения и перемен представляется для нас как нечто статическое и неизменное. Если я догадался (а строить догадки это то, что я делаю, чтобы заработать на жизнь), это и есть сцена для криминала.

Мы должны найти способ разморозить время – представить время без превращения его в пространство. У меня нет идей, как это сделать. Я не могу представить себе математику, которая не представляет мир, как если бы он был заморожен в вечности. Это ужасно тяжело, представить время, и поэтому тут имеется хороший шанс, что это представление и является потерянным кусочком.

Одна вещь ясна: я не могу получить никакого размышления об этом виде проблемы в рамках границ теории струн. Поскольку теория струн ограничена описанием струн и бран, движущихся в фиксированных фоновых пространственно-временных геометриях, она не предлагает ничего тому, кто хотел бы прорваться к новому основному мышлению о природе времени или о квантовой теории. Фоново-независимые подходы предлагают лучшую стартовую позицию, поскольку они уже переступили пределы классической картины пространства и времени. И они проще для определения и легче для игры с ними. Имеется дополнительный бонус, заключающийся в том, что привлекаемая математика связана с одним из нескольких математиков, использующих для исследований радикальные идеи о природе времени – область логики, именуемую теорией топосов.