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

Мастера-ремесленники и пророки приходят в науку по разным причинам. Мастера-ремесленники приходят в науку, большей частью, потому, что они открыли в школе, что это для них хорошо. Они являются обычно лучшими студентами в своих математических и физических классах от начальной школы и на всем пути до аспирантуры, где они, наконец, встречают равных себе. Они всегда были в состоянии решить математические проблемы быстрее и более аккуратно, чем их одноклассники, так что решение проблем есть именно то, на основании чего они склонны оценивать других ученых.

Пророки совершенно другие. Они мечтатели. Они идут в науку потому, что у них есть вопросы о природе бытия, на которые школьные учебники не отвечают. Если они не становятся учеными, они могут быть артистами или писателями, или могут окончить богословскую школу. Однако стоит ожидать, что представители этих двух групп не понимают друг друга и не доверяют друг другу.

Общая неудовлетворенность пророков в том, что стандартное образование в физике игнорирует исторический и философский контекст, в котором развивается наука. Как указывал Эйнштейн в письме молодому физику, который противился его попыткам добавить философию в его курс физики:

Я полностью согласен с Вами по поводу существенности и образовательной ценности методологии, равно как и истории и философии науки. Так много людей сегодня – даже профессиональных ученых – кажутся мне подобными тому, кто видит тысячи деревьев, но никогда не видит леса. Знание исторического и философского основания дает этот вид независимости от предубеждений его поколения, от которого страдают большинство ученых. Эта независимость, создаваемая философским прозрением, является – по моему мнению – знаком различия между простым мастеровым или специалистом и настоящим искателем истины.

Конечно, некоторые люди являются смесью того и другого. Аспирантуры не готовят никого, кто не был бы в высшей степени компетентен с технической стороны. Но большинство физиков-теоретиков, которых я знаю, попадают в ту или в другую группу. Как насчет меня? Я думаю о себе как о потенциальном пророке, который, к счастью, достаточно хорош в своих умениях, чтобы время от времени делать вклад в решение проблем.

Когда я впервые, будучи студентом, столкнулся с категориями Куна о революционной и нормальной науке, я был сбит с толку, поскольку не мог сказать, в каком периоде мы находились. Если я рассматривал группы вопросов, которые оставались открытыми, мы явно прошли часть пути через революцию. Но если я рассматривал, как работали люди вокруг меня, мы с той же очевидностью делали нормальную науку. Имелась парадигма, которой была стандартная модель физики частиц и экспериментальная деятельность, которая эту модель подтверждала, и все это нормально прогрессировало.

Теперь я понимаю, что мое замешательство было свидетельством кризиса, который мной исследовался в настоящей книге. Мы на самом деле находимся в революционном периоде, но пытаемся выйти из него, используя неадекватные инструменты и организацию нормальной науки.

Итак, это моя основная гипотеза по поводу последних двадцати пяти лет физики. Не может быть сомнений, что мы находимся в революционном периоде. Мы капитально застряли, и нам нужны настоящие пророки, причем очень сильно. Но прошло много времени с момента, когда понадобились пророки. У нас было несколько монументальных провидцев в начале двадцатого столетия: Эйнштейн среди них, но также Бор, Шредингер, Гейзенберг и несколько других. Они не смогли завершить революцию, которую они начали, но они создали частично успешные теории – квантовую механику и ОТО, – чтобы мы их достраивали. Развитие этих теорий требовало много тяжелой технической работы, которая для нескольких поколений физиков была "нормальной наукой", в которой преобладали мастера-ремесленники. На самом деле переход от доминирования европейцев к доминированию американцев, который имел место в 1940е, был очень большим триумфом ремесленников над пророками. Как отмечалось, он свелся к полному изменению стиля теоретической физики от задумчивой основательной манеры Эйнштейна и равных ему людей к прагматической агрессивной манере, которую нам дала стандартная модель.

Когда я изучал физику в 1970е, было почти так, как если бы мы были научены смотреть свысока на людей, которые размышляли над основополагающими проблемами. Когда мы задавали вопросы о фундаментальных проблемах в квантовой теории, нам говорили, что их никто полностью не понимает, но это касалось тех, кто не составлял большой части науки. Работа заключалась в принятии квантовой механики как данности и применении ее к новым проблемам. Образ мышления был прагматическим; "Заткнись и вычисляй" было мантрой. Люди, которые не могли уйти от своих опасений по поводу смысла квантовой теории, рассматривались как неудачники, которые не могли делать работу.

Как тот, кто пришел в физику через чтение эйнштейновских философских мечтаний, я не мог бы принять такие рассуждения, но несовершеннолетие было простодушным, и я следовал им как можно лучше, насколько мог. Вы могли сделать карьеру, только работая в рамках квантовой теории как данной, не подвергая ее вопросам. Счастливые обстоятельства дали мне некоторое время в Институте перспективных исследований в Принстоне, но здесь не имелось памяти об эйнштейновском способе делать науку – только пустой бронзовый бюст, молчаливо вглядывающийся куда-то около библиотеки.

Но революция была не завершена. Стандартная модель физики частиц определено была триумфом прагматического стиля развития физики, но ее триумф, как теперь кажется, также отмечает и ее пределы. Стандартная модель и, вполне возможно, инфляция осуществляется, пока мы могли идти путем нормальной науки. С тех пор мы завязли, поскольку то, в чем мы нуждались, это вернуться к революционной разновидности науки. Еще раз, нам нужно несколько пророков. Проблема в том, что сегодня таких вокруг очень немного, так как наука очень долго делалась таким образом, который редко понимает и едва терпит их.

Между началом и последней четвертью двадцатого столетия наука – и академия в целом – стала намного более организованной и профессиональной. Это означает, что деятельность нормальной науки культивировалась как единственная модель хорошей науки. Даже если каждый может видеть, что необходима революция, наиболее влятельная часть нашего сообщества забыла, как ее делать. Мы пытались сделать это с помощью структур и стилей исследований, более подходящих для нормальной науки. Парадоксальная ситуация теории струн – так много обещаний, так мало исполнения – это как раз то, что вы получаете, когда множество в высшей степени подготовленных мастеров-ремесленников пытаются делать работу пророков.

Я уверен, что некоторые струнные теоретики будут возражать против такой характеристики. Определенно, они работают над фундаментальными проблемами физики, и вся их работа нацелена на открытие новых законов. Почему струнные теоретики не являются пророками? Разве червоточины, высшие размерности и множественные вселенные не являются творческими идеями? Да, конечно, но суть не в этом. Вопрос таков: каков контекст и каковы идеи по этому поводу? Скрытые размерности и червоточины едва ли являются новинкой более чем через три четверти века после Калуцы и Кляйна. Не требуется много предвидения или смелости, чтобы думать об этих вещах, когда сотни других людей обдумывают те же мысли.

Другой способ взглянуть на нашу сегодняшнюю ситуацию в том, что пророки из-за своей страсти к ясности принуждаются к схватке с глубочайшими проблемами в основаниях физики. Последние включают основания квантовой механики и проблемы, связанные с пространством и временем. Много статей и книг было написано по проблемам обоснования квантовой механики за последние несколько десятилетий, но, насколько я знаю, ни одна из них не принадлежит ведущему струнному теоретику. Нет, насколько мне известно, ни одной статьи, написанной струнным теоретиком, которая пытается связать стоящие перед теорией струн проблемы с более старыми трудами физиков и философов о великих проблемах в основаниях пространства, времени и квантовой теории.

Лидеры фоново-независимых подходов к квантовой гравитации, наоборот, склонны быть людьми, чьи научные взгляды формировались размышлениями длиною в жизнь о глубоких основополагающих проблемах. Легко перечислить тех, чьи раздумья привели к статьям и даже книгам, обращенным к фундаментальным проблемам: Роджер Пенроуз, вероятно, лучше всех известен публике, но можно назвать многих других, включая Джона Баеза, Луиса Кране, Брюса деВитта, Фэй Даукер, Кристофера Исхама, Фотини Маркопоулоу, Карло Ровелли, Рафаэля Соркина и Герарда т′Хоофта.

Напротив, я не могу представить себе типичного струнного теоретика, который предложил оригинальную идею об основаниях квантовой теории или природе времени. Струнные теоретики склонны отмахиваться от этого обвинения ссылаясь на результат, что все эти вопросы решены. Время от времени они признают, что проблемы серьезны, но быстро сопровождают это допущение заявлением, что слишком рано пытаться решить их. Часто слышно, что мы должны просто продолжать развитие теории струн, поскольку, так как теория струн верна, она должна содержать необходимые решения.

Я ничего не имею против людей, которые занимаются наукой как ремеслом, чей труд основан на мастерстве технических приемов. Это то, что делает нормальную науку столь влиятельной. Но это фантазия представлять, что фундаментальные проблемы могут быть решены через решение технических проблем в рамках существующих теорий. Было бы прекрасно, если это бы имело место, – определенно, мы все могли бы меньше задумываться, а думать на самом деле тяжело, даже для тех, кто чувствует потребность делать это. Но глубокие, стойкие проблемы никогда не решаются случайно; они решаются только людьми, которые захвачены ими и намереваются решить их непосредственно. Эти люди пророки, и именно поэтому столь важно, чтобы академическая наука приглашала их, вместо того, чтобы исключать их.

Наука никогда не была организована дружелюбным для пророков образом; ситуация с трудоустройством Эйнштейна вряд ли единственный пример. Но сто лет назад академия была намного меньше и намного менее профессиональна, и хорошо подготовленные посторонние были не уникальны. Это было наследием девятнадцатого столетия, когда большинство делающих науку людей были энтузиастами-любителями, или достаточно богатыми, чтобы не нуждаться в работе, или достаточно убедительными, чтобы они смогли найти покровителей.

Прекрасно, вы можете сказать. Но кто такие пророки? Они по определению в высшей степени независимые и само-мотивированные индивидуальности, которые так преданы науке, что они будут делать ее, даже если они не смогут жить за ее счет. Таких должно быть несколько, даже если наша профессионализированная академия недружелюбна к ним. Кто они и что они ухитряются делать, чтобы решить великие проблемы?

Они скрыты прямо перед глазами. Они могут быть распознаны по их отказу от предположений, в которые верит большинство из остающихся нас. Позвольте мне представить вам некоторых из них.

Мне весьма трудно поверить, что СТО неверна; если это так, то имеется выделенное состояние покоя и как направление, так и скорость движения должны быть, в конечном счете, определимы. Но вокруг имеется несколько теоретиков, которые не имеют трудностей с этой концепцией. Тэд Джэкобсон является моим другом, с которым мы работали над статьей по квантовой механике петлевой квантовой гравитации. Вместе мы нашли первое точное решение ключевого уравнения, известного как уравнение Уилера-деВитта. Но когда петлевая квантовая гравитация двинулась вперед, у Джэкобсона усилился пессимизм. Он не думал, что петлевая квантовая гравитация могла бы работать, а также он не думал, что она достаточно глубока. После обдумывания всего этого он начал задавать вопросы о самом принципе относительности и начал верить в возможность преимущественного состояния покоя. Он потратил годы, развивая эту идею. В главах 13 и 14 я отмечал, что если СТО неверна, эксперимент может вскоре нам об этом сказать. Джэкобсон и его студенты в Университете Мэрилэнда находятся среди лидеров по поиску экспериментального теста СТО.

Другим пророком, который оспорил всю схему относительности, является Жоао Магуэйджо (см. главу 14). У него не было выбора, поскольку он придумал и влюбился в идею, которая противоречит СТО, – что скорость света могла быть намного больше в ранней вселенной. Статьи, которые он об этом писал, объективно просто непротиворечивы – и они определенно не имеют смысла без предположения, что принцип относительности должен быть отброшен или, по меньшей мере, модифицирован.

Далее имеются необузданные парни из физики твердого тела – достигшие совершенства физики, которые сделали большие карьеры, объясняя реальные вещи по поводу поведения реальных веществ. Я упоминал Роберта Лафлина, который был удостоен Нобелевской премии в 1998 за его вклад в "открытие новой формы квантовой жидкости с возбуждениями, имеющими дробный заряд", Григория Воловика из Института теоретической физики имени Ландау в Москве, который объяснил поведение определенных разновидностей очень холодного жидкого гелия, и Ксао-Гань Вена. Эти люди являются мастерами-ремесленниками и пророками одновременно. Делая, возможно, лучшую и саму важную нормальную науку последних нескольких десятилетий, они решили приложить свои руки к глубоким проблемам квантовой гравитации, и они начали с идеи, что принцип относительности неверен, что он является просто приблизительным, эмерджентным феноменом. Другим таким пророком/ремесленником является Джеймс Бьёркен, физик, занимающийся частицами. То, что мы знаем, что протоны и нейтроны содержат кварки, является в большой степени следствием его прозрений.

Одним из великих пророков является Хольгер Беч Нильсен из Института Нильса Бора. Он был изобретателем теории струн, и он имеет на своем счету много других ключевых открытий. Но на долгие годы он изолировался от генерального направления физики, защищая то, что он назвал хаотической динамикой. Он уверен, что самое полезное предположение, которое мы можем сделать в отношении фундаментальных законов, это что они являются хаотическими. Все, о чем мы думаем как о внутренне правильном, вроде относительности и принципов квантовой механики, он рассматривает как второстепенные факты, которые появляются из фундаментальной теории, настолько лежащей за пределами наших представлений, что мы можем также считать, что ее законы хаотичны. Его моделями являются законы термодинамики, которые использовались как основанные на принципах, но сегодня понимаются как наиболее вероятный способ, которым будут вести себя большие количества атомов, находящихся в хаотическом движении. Это может и не быть верным, но Нильсен удивительно далеко продвинулся в своей анти-унификационной программе.

Имеется очень короткий список струнных теоретиков, которые делали постоянные вклады в науку на уровне тех, которые завещаны указанными джентльменами. Как же струнные теоретики – или, в этом же смысле, петлевые теоретики – отвечают на настойчивые предостережения этих достигших совершенства физиков, что, возможно, мы все сделали ошибочное предположение? Мы их игнорируем. Да, на самом деле, вылезая вон из кожи. По правде говоря, мы смеемся над ними за их спинами, а иногда чуть только они покинут помещение. Занятие физикой уровня Нобелевской премии – или даже выигрыш самой премии – очевидно, не защищает вас, когда вы подвергаете сомнению общепринятые предположения, такие как СТО и ОТО. Я был шокирован, когда Лафлин сказал мне, что на него давит его департамент и финансирующее агентство, чтобы он занимался нормальной наукой в области, в которой он работал, вместо того, чтобы тратить время на его новые идеи о пространстве, времени и гравитации. Если такой личности после всех ее свершений, включая Нобелевскую премию, нельзя доверить охотиться за своими глубочайшими идеями, что же тогда означает академическая свобода?

К счастью для физики, мы скоро узнаем, верна СТО или нет. Большинство моих друзей ожидает, что экспериментальные наблюдения проявят эти величайшие человеческие глупости. Я надеюсь, что борцы с предрассудками ошибаются и что СТО пройдет этот тест. Но я не могу избавиться от опасений, что, возможно, именно мы ошибаемся, а они правы.

Так много по вопросам к относительности. Что, если квантовая теория неверна? Это чувствительное, уязвимое место всего проекта квантовой гравитации. Если квантовая теория не верна, тогда попытки объединить ее с гравитацией будут гигантской тратой времени. Кто-нибудь думает, что это так?

Да, и один из них Герард т′Хоофт. В качестве аспиранта в Университете Утрехта, т′Хоофт доказал вместе с более старым соратником, что квантовые теории Янга-Миллса были последовательными, открытие, которое сделало возможной всю стандартную модель, и он вполне заслужил Нобелевскую премию за эти достижения. Это только одно из его многих фундаментальных открытий по поводу стандартной модели. Но в последнее десятилетие он стал одним из самых смелых мыслителей над фундаментальными проблемами. Его главная идея названа голографическим принципом. Как он его формулирует, не существует пространства. Все, что происходит в регионе, который мы используем для размышлений как пространство, может быть представлено как имеющее место на поверхности, окружающей данное пространство. Более того, описание мира, который существует на этой границе не является квантовой теорией, а является детерминистической теорией, которая, как он уверен, заменит квантовую.

Как раз перед тем, как т′Хоофт сформулировал свой принцип, сходная идея была предложена Луисом Кране в контексте фоново-независимых подходов к квантовой гравитации. Он предположил, что правильный способ применения квантовой теории ко вселенной – не пытаться вставить всю вселенную в одну квантовую систему. Это пытались сделать Стивен Хокинг, Джеймс Хэртл и другие, и столкнулись с тяжелыми проблемами. Кране вместо этого предположил, что квантовая механика не является статическим описанием системы, но записью информации, которую одна подсистема вселенной может иметь возле другой посредством их взаимодействия. Далее он предположил, что имеется квантово-механическое описание, связанное с каждым способом разделения вселенной на две части. Квантовые состояния живут не в одной части или в другой, а на границе между ними.

Радикальное предположение Кране с тех пор выросло в класс подходов к квантовой теории, которые называются относительными квантовыми теориями, поскольку они основаны на идее, что квантовая механика является описанием взаимоотношений между подсистемами вселенной. Эта идея была развита Карло Ровелли, который показал, что она превосходно согласуется с тем, как мы обычно делаем квантовую теорию. В контексте квантовой гравитации это приводит к новому подходу к квантовой космологии, созданному Фотини Макропоулоу и ее сотрудниками. Маркопоулоу подчеркнула, что описание обмена информацией между различными подсистемами является тем же, что и описание причинной структуры, которая ограничивает, какие системы могут влиять друг на друга. Таким образом, она нашла, что вселенная может описываться как квантовый компьютер с динамически генерируемой логикой. Идея, что вселенная является разновидностью квантового компьютера также продвигалась Сетом Ллойдом из Массачусетского технологического института, одного из мечтателей из области квантовых вычислений. С двух сторон их соответствующих дисциплин Маркопоулоу и Ллойд возглавили движение, которое использует идеи теории квантовой информации для изменения концепции вселенной, приводя к пониманию того, как элементарные частицы могут возникать из квантового пространства-времени.