Текст книги "Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует"

Автор книги: Ли Смолин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 31 страниц)

Имеются другие свидетельства, что теория струн может обеспечить унификацию гравитации с квантовой теорией. Самые сильные результаты содержат браны и чёрные дыры. Эти результаты экстраординарны, но, как мы обсуждали в главе 9, они недостаточно далеко заходят. До сегодняшнего дня они ограничены очень специальными чёрными дырами, и кажется, есть слабая надежда, что точные результаты будут вскоре распространены на общий случай чёрных дыр, включая те их виды, которые, как мы уверены, существуют в природе; результаты могут быть связаны с дополнительной симметрией, которой обладают эти специальные чёрные дыры. Наконец, результаты теории струн не включают существенное описание квантовой геометрии специальных чёрных дыр; они ограничены изучением модельных систем с бранами, которые разделяют многие свойства чёрных дыр, но существуют в обычном пространстве-времени, и они изучались в приближении, в котором гравитационная сила выключена.

Некоторые утверждают, что эти экстремальные системы с бранами станут чёрными дырами, когда гравитационная сила будет снова включена. Но теория струн не может быть доведена до конца без обсуждения детального описания того, как формируется чёрная дыра. Чтобы сделать это, вам необходима теория струн, которая работает в пространстве-времени, эволюционирующем во времени, а мы видели, что такая пока не существует.

С момента оригинальных результатов по чёрным дырам было много впечатляющих предложений о том, как описать реальную чёрную дыру в теории струн. Но все они страдали от общей проблемы, что, как только они отклонялись от очень специальных чёрных дыр, где мы можем использовать суперсимметрию, чтобы провести расчёты, они не могли прийти к точным результатам. Раз уж мы изучаем ординарные чёрные дыры, или когда мы пытаемся проникнуть в вопрос, что происходит в сингулярности, мы неизбежно попадаем в режим, где пространственно-временная геометрия эволюционирует во времени. Суперсимметрия не может работать в этих условиях, и также не работают все те прекрасные вычислительные инструменты, которые от неё зависят. Так что мы остаёмся с той же дилеммой, которая беспокоит так много исследований в струнной теории: мы получаем изумительные результаты для очень специальных случаев, но мы не в состоянии выбрать, распространяются ли результаты на целую теорию или они верны только в специальных случаях, где мы можем проводить вычисления.

Зафиксировав эти ограничения, можно ли утверждать, что теория струн решает загадки энтропии чёрных дыр, температуры и потери информации, обозначенные открытием Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга? Ответ таков, что, хотя имеются внушительные результаты, теория струн ещё не может заявить, что решила эти проблемы. Для экстремальных и почти экстремальных чёрных дыр вычисления с использованием модельных систем бран воспроизводят все детали формул, которые описывают термодинамику соответствующих чёрных дыр. Но это не чёрные дыры, это просто системы, ограниченные требованиями наличия большого количества суперсимметрии, чтобы они имели тепловые свойства чёрных дыр. Результаты не обеспечивают описания действительной квантовой геометрии чёрных дыр. Поэтому они не объясняют результатов Бекенштейна и Хокинга в терминах микроскопического описания чёрных дыр. Более того, как отмечалось, результаты применимы только к очень специальному классу чёрных дыр и не применимы к чёрным дырам, имеющим реальный физический интерес.

Суммируем: на основании текущих результатов мы не можем уверенно провозгласить, что теория струн решает проблему квантовой гравитации. Подтверждения двойственные. Для определённых приближений теория струн кажется последовательно объединяющей квантовую теорию и гравитацию и дающей осмысленные и конечные ответы. Но тяжело решить, верно ли это для полной теории. Имеются свидетельства в поддержку чего-то вроде предположения Малдасены, но нет доказательств самого полного предположения, а только полное предположение позволит нам объявить существование хорошей квантовой теории гравитации. Картина чёрных дыр впечатляет, но только для нетипичных чёрных дыр, которые теория струн в состоянии смоделировать. За их пределами есть постоянно существующая проблема, что теория струн не является фоново-независимой и даже в пределах этих ограничений до сих пор не может описать чего-либо другого, кроме статических фонов, где геометрия не эволюционирует во времени.

Что мы можем сказать, так это то, что в пределах указанных ограничений имеются свидетельства, что теория струн указывает на существование последовательного объединения гравитации и квантовой теории. Но является ли сама теория струн такой последовательной унификацией? В отсутствие решения указанных проблем это кажется маловероятным.

Обратимся к другим проблемам из списка главы 1. Четвёртая проблема заключается в объяснении величин параметров стандартной модели физики частиц. Ясно, что теория струн до настоящего момента не смогла сделать это, и нет причин верить, что сможет. Вместо этого, как мы обсуждали в главе 10, предложены свидетельства, что имеется настолько огромное число последовательных теорий струн, что теория почти ничего не может предсказать по этому поводу.

Пятая проблема заключалась в объяснении, что такое тёмная материя и тёмная энергия, и в объяснении величин констант космологии. Здесь ситуация тоже не хороша. Теории струн, поскольку они обычно включают намного больше частиц и сил, чем это наблюдается, предлагают множество кандидатов на роль тёмной материи и энергии. Некоторые из дополнительных частиц могли бы быть тёмной материей. Некоторые из дополнительных сил могли бы быть тёмной энергией. Но теория струн не предлагает конкретных предсказаний о том, какие из многих возможных кандидатов являются тёмной материей или тёмной энергией.

Например, среди возможных кандидатов на тёмную материю есть частица – аксион (название отмечает определённые свойства, в которые я не хочу вдаваться). Многие (но не все) теории струн содержат аксионы, так что сначала это кажется хорошо. Но большинство струнных теорий, которые содержат аксионы, предсказывают, что они имеют свойства, которые не согласуются со стандартной космологической моделью. Так что это кажется плохо. Но ведь имеется так много теорий струн, что некоторые могут вполне содержать аксионы, согласующиеся с космологической моделью. Возможно также, что космологическая модель неверна в этом аспекте. Так что разумно сказать, что, если аксионы являются тёмной материей, то это согласуется с теорией струн. Но это очень далеко от того, чтобы сказать, что теория струн или предсказывает, что тёмная материя является аксионами, или делает любые дополнительные предсказания, с помощью которых наблюдения тёмной материи могли бы фальсифицировать теорию струн.

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 её 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 трёх оставшихся проблем. Она кажется неспособной объяснить параметры стандартных моделей физики и космологии. Она обеспечивает список возможных кандидатов на роли тёмной материи и тёмной 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. Её сила заключается в том, что она унифицирует виды частиц и сил, о чём мы уже знаем. Если бы мы, например, ничего не знали о гравитации, мы могли бы предсказать её существование из теории струн. Это не мелочь. Но это не предсказание для нового эксперимента. Более того, нет возможности фальсифицировать теорию – доказать её 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 ещё 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 определённо 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 неё так много возлагалось двадцать лет назад.

В расцвете 1985 года одним из самых увлечённых 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-времён… Долго продолжающийся кризис теории струн заключается в её полной неспособности объяснить или предсказать что-либо из физики больших масштабов. Теория струн не может сказать ничего определённого 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 определённого объяснения существующему знанию о реальном мире и не может сделать никаких определённых предсказаний. Достоверность теории струн не может быть оценена, ещё меньше установлена. Теория струн не имеет веры как кандидат на теорию физики[72]72
  D. Friedan, «A Tentative Theory of Large Distance Physics,» <Пробная теория физики больших расстояний>, [http://arxiv.org/abs/hep-th/0204131].


[Закрыть].

Однако, многие струнные теоретики всё ещё 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 добьётся успеха в конечной унификации, она имеет побочные результаты, которые способствуют нашему пониманию других теорий. Они особенно ссылаются на предположение Малдасены, обсуждённое в главе 9, которое обеспечивает способ изучения определённых калибровочных теорий из расчётов, которые легче провести в соответствующей теории гравитации. Это определённо 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 всё ещё консультируются. Хорошим проверочным случаем является упрощённая 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[73]73
  D. Karabali, C.Kim, and V.P. Nair, Phys. Lett. B., 434: 103-9 (2098);
  [http://arxiv.org/abs/hep-th/9804132];
  R.G. Leigh, D. Minic, and A.Yelnicov, [http://arxiv.org/abs/hep-th/0604060].
  Для применений к 3+1 измерениям см. L. Freidel, [http://arxiv.org/abs/hep-th/0604185].


[Закрыть]. Это также можно изучить через третий подход – грубый расчёт на компьютере. Компьютерные вычисления считаются надёжными, 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^{18}.

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 определённых 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 определённая 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 идёт о природе: топологические теории струн являются упрощённой 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 её 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 путём введения высших размерностей. Геометрия высших измерений оказалась далёкой от однозначности и повреждённой 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 партнёра, 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[74]74
  В книге «Дорога к реальности» (The Road to Reality, 2005) Роджер Пенроуз утверждал, что большинство из компактифицированных пространств, чьи дополнительные измерения скручены внутрь, будут быстро коллапсировать к сингулярностям. Чтобы показать это, он применил к пространственно-временным фонам этих теорий струн теоремы, которые разработали он и Хокинг, показывая, что ОТО предсказывает сингулярности в космологических решениях. Пока, насколько я знаю, их аргумент стоит. Они придерживались только классического уровня приближений, но это единственное приближение, в котором мы можем изучать эволюцию пространственно-временных фонов струнной теории во времени. Следовательно, результат Пенроуза также правдоподобен, как и аргументы, которые убеждают струнных теоретиков в существовании ландшафта струнных теорий.


[Закрыть].

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 ведёт 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 серьёзно 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 остаётся? 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 разойдётся 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 тяжёлым 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[75]75
  Цитировано в Amanda Gefter, «Is String Theory in Trouble?» <Теория струн в затруднении?>, New Scientist, Dec. 17, 2005.


[Закрыть].

Но это ложный выбор. Как мы вскоре 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 однажды 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 её часть или, возможно, что-либо подобное ей может составить некоторую будущую теорию. Но имеется также непреодолимое свидетельство, что кое-что было сделано неверно. С 1930-х было ясно, что квантовая теория гравитации должна быть фоново-независимой, но всё ещё 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 всё, 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 всё ещё 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 найдёт способ сформулировать теорию струн, который однозначно приведёт к стандартной модели физики частиц, будет фоново-независимым и будет жить только в трёхмерном несуперсимметричном мире, который мы наблюдаем? Даже если перспективы найти такую теорию кажутся незначительными, такая возможность есть, – подчёркивая общую мудрость, что диверсификация исследовательских программ является благотворной для науки, момент, к которому мы вернёмся позднее.

Так что теория струн определённо находится среди направлений, которые заслуживают большего исследования. Но должна ли она продолжать рассматриваться как доминирующая парадигма теоретической физики? Должна ли бо́льшая 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 её корзину.

А что если нет других достойно работающих подходов? Некоторые струнные теоретики защищают поддержку теории струн, поскольку она 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 намёки 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.