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

Автор книги: Ли Смолин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 31 страниц)

Амелино-Камелиа быстро нашёл, что имеется модификация уравнений СТО Эйнштейна, которая реализует эту идею. Он назвал её двойной СТО, поскольку трюк, который сделал относительность специальной, теперь был сыгран два раза. Я следил за его попытками придумать способ прозондировать планковский масштаб, но в 2000 году, когда он разослал препринт с идеей двойной СТО, я с первого раза её не понял[87]87
  G. Amelino-Camelia, «Testable Scenario for Relativity with Minimum-Length,» <Проверяемый сценарий для относительности с минимальной длиной>, [http://arxiv.org/abs/hep-th/0012238].


[Закрыть].

Это смущающее обстоятельство, но тут есть нечто даже ещё более смущающее. Примерно десятью годами раньше я натолкнулся на совершенно тот же парадокс. Он возник в работе, которую я вёл в теории квантовой гравитации, именуемой петлевая квантовая гравитация. Детали не важны – суть в том, что наши расчёты в петлевой квантовой гравитации оказались противоречащими СТО Эйнштейна. Теперь я понимаю, что те особые вычисления на самом деле противоречили СТО Эйнштейна. Но в то время такая возможность была слишком устрашающей для рассмотрения, и после борьбы с ней я прервал всю линию исследований. На самом деле это был первый в серии шагов, которые со временем привели меня к отказу от петлевой квантовой гравитации и к временной работе на теорию струн.

Но как только я прервал исследования, я подумал: возможно, СТО могла бы быть модифицирована так, что все наблюдатели, двигаются они или нет, согласятся, что планковская длина существует. Это была ключевая идея двойной СТО, хотя я не был достаточно одарён воображением, чтобы что-нибудь сделать по этому поводу. Я подумал об этом немного, не смог придать этому никакого смысла и перешёл к чему-то другому. Даже увидев статью Амелино-Камелиа десятью годами позже, я не возвратился к этому. Я пришёл к идее из другого направления. В то время я был приглашённым профессором в Империал Колледже в Лондоне, где познакомился с замечательным учёным по имени Жоао Магуэйджо, блестящим молодым космологом из Португалии, примерно того же возраста, что и Джованни Амелино-Камелиа, и с одинаково бурным латинским темпераментом.

Жоао Магуэйджо был известен своей реально сумасшедшей идеей, что свет двигался быстрее в очень ранней вселенной. Эта идея делает инфляцию не необходимой, поскольку она объясняет, как каждая область в ранней вселенной могла бы быть в причинном контакте с другими и, таким образом, быть при той же самой температуре. Тогда, чтобы осуществить это, могло и не быть необходимости в экспоненциальном расширении в самые ранние моменты.

Это прекрасно, но идея чокнутая – на самом деле чокнутая. Она не согласуется ни с СТО, ни с ОТО. Для неё нет другого слова, кроме как «еретическая». Однако, британский академический мир питает слабость к еретикам, и Магуэйджо процветал в Империал Колледже. Будь он в Соединённых Штатах, я сомневаюсь, что он с подобными идеями был бы приглашён на работу даже как постдок. Магуэйджо развивал свою идею в Империале вместе с молодым профессором по имени Андреас Альбрехт, который в качестве аспиранта в Университете Пенсильвании был одним из изобретателей инфляции. Альбрехт недавно покинул Англию, чтобы вернуться в Америку. После того, как я прибыл в Империал на несколько месяцев, я нашёл Магуэйджо у моей двери. Он хотел увидеть, нет ли способа сделать его идею космологии с переменной скоростью света (variable speed of light – VSL) совместимой с СТО и ОТО. Каким-то образом он почувствовал, что разговор со мной мог бы помочь.

Я не знал в то время, что это уже было сделано. На самом деле вся VSL космология была разработана раньше одарённым профессором физики из Торонто Джоном Моффатом. Во много раз больший еретик, Моффат придумал идею и разработал её способом, который был совместим и с СТО и с ОТО, но его предложение опубликовать его теорию в научном журнале встретило отказ.

Как Жоао рассказал эту историю в 2003 году в своей книге «Быстрее чем скорость света», он изучал труд Моффата, когда он и Альбрехт пытались опубликовать их собственную статью[88]88
  Joao Magueijo, Faster Than the Speed of Light: The Story of a Scientific Speculation <Быстрее скорости света: история научной догадки> (New York: Perseus Books, 2003).


[Закрыть]. Это характеризует Жоао, что его побуждением было записать Моффата в друзья – и, на самом деле, они остались близки. Он знал о труде Моффата к тому времени, когда начал разговор со мной, но я не думаю, что он понимал, что тот решил проблему, которую он пытался решить. Или, если понимал, ему не нравился путь, каким это было сделано.

Джон Моффат сейчас является моим другом и коллегой в Пограничном институте теоретической физики. Нет никого, кого бы я уважал больше за его смелость и оригинальность. Я также говорил, как сильно я восторгался Джованни Амелино-Камелиа за его открытие по поводу зондирования планковского масштаба. Так что мне больно признать, что Жоао и я проигнорировали труд их обоих. В известном смысле, то, что мы сделали, хорошо, ибо мы нашли отличающееся решение проблемы, как сделать переменную скорость света совместимой с принципами относительности. Я, определённо, не стал бы пытаться, если бы я знал, что проблема уже была решена – и не один раз, а дважды.

Жоао часто приходил ко мне с этой проблемой. Я всегда находил время поговорить с ним, поскольку я был захвачен его энергией и его свежим способом видения физики. Но за многие месяцы я не задумывался очень глубоко о том, что он говорил. Поворотный пункт пришёл, когда он показал мне старую книгу, в которой проблема обсуждалась. Это был учебник по ОТО выдающегося русского математического физика по имени Владимир Фок[89]89
  Vladimir Fock, The Theory of Space, Time, and Gravitation <Теория пространства, времени и гравитации> (London: Pergamon Press, 1959).


[Закрыть]. Я знал некоторые работы Фока по квантовой теории поля (все физики их знают), но я никогда не видел его книги по относительности. Проблема Жоао заставила меня подумать о том, что было домашним заданием в книге Фока. Раз уж я увидел её, я вспомнил мою идею десятилетней давности, и все вещи соединились вместе. Ключ был на самом деле в том, чтобы сохранить принципы СТО Эйнштейна, но изменить правила так, что все наблюдатели согласятся, что скорость света и планковский масштаб являются универсальными. На самом деле скорость, которая постоянна, больше не является скоростью всех фотонов, а только очень низкоэнергетических фотонов.

Сначала мы не видели, что делать с этой идеей. Мы имели историю с некоторыми кусками математики, но ещё не полную теорию. Примерно в это время я предпринял путешествие с остановкой в Риме, где я потратил много часов, разговаривая с Джованни Амелино-Камелиа. Неожиданно я понял, что он говорил. Он пришёл к той же самой идее, которую мы развивали, и он пришёл к ней раньше и разработал её первым. Тем не менее, на том пути, которым он разрабатывал идею, имелось много всего, чего я не понимал. Математика казалась трудной для понимания, и она оказалась завязанной на формализм, придуманный несколькими десятками лет ранее группой польских математических физиков – формализм, в который я определённо не смог проникнуть.

Мне потребовалось много лет, чтобы разобраться в математических тонкостях предмета. Я находил их непостижимыми, пока не начал читать ранние статьи английского математика Шена Маджида, который был одним из изобретателей квантовых групп. Его труд был тесно связан с математикой, которую использовала польская группа. Маджид начинал с некоторых воображаемых идей о том, как выразить в единой математической структуре существенные прозрения относительности и квантовой теории. Это привело его к квантовым группам (которые являются революционным расширением идеи симметрии), а затем к модификациям теории относительности на основе объекта, который мы называем некоммутативной геометрией. Его прозрения были в ядре математики, требуемой, чтобы ясно выразить теорию DSR, но они были затеряны – по меньшей мере, для меня – в запутанных статьях, где я впервые увидел их выраженными.

В любом случае Жоао и я проигнорировали математику и пытались говорить о физике. Наш прогресс был прерван моим отбытием в сентябре 2001 года в Канаду, во вновь созданный Пограничный институт. Месяцем позже Жоао прибыл в Пограничный институт как его второй посетитель. Теория, наконец, встала на место в послеполуденное время после его прибытия. Мы работали в престижной части города Ватерлоо, в кафе с названием Симпозиум с комфортабельными диванами. У него были расстроены биоритмы в связи с перелётом через несколько часовых поясов. Я был травмирован и истощён, только что вернувшись после уикэнда в Нью-Йорке, следующего за событиями 11 сентября. Я впадал в апатию, когда говорил Жоао, затем просыпался и находил его дремлющим. Я вспоминал что-то, что он сказал, как я терял сознание, я набрасывал что-то на блокноте, затем опять впадал в спячку. Я просыпался, когда он начинал говорить, и мы имели несколько взаимно вразумительных минут, прежде чем он опять впадал в спячку. Так и прошло послеобеденное время, мы говорили, вычисляли и дремали по очереди. Я могу представить, что думал персонал кафе. Но в некоторый момент во время этого полудня мы случайно обнаружили ключевой фактор, который ускользал от нас в течение месяцев, заключающийся в замене импульсов на положения. Когда мы были готовы, мы изобрели вторую версию DSR, намного более простую, чем та, которую разработал Джованни Амелино-Камелиа. Теперь она известна у специалистов как DSR II.

Это и было, грубо говоря, то, что Жоао хотел. В нашей версии фотоны, которые имели больше энергии, путешествовали быстрее. Таким образом, в очень ранней вселенной, когда температура была очень высока, скорость света была, в среднем, быстрее, чем сегодня. Если вы идёте ещё дальше назад во времени, и температура подходит к планковской энергии, скорость света становится бесконечной. Потребовалось немного дольше повозиться, чтобы показать, что это привело к версии теории с переменной скоростью света, которая также согласуется с принципами общей теории относительности, но мы, в конечном счёте, получили это тоже. Мы назвали эту теорию Гравитационной радугой в честь новеллы Томаса Пинчона^{20}.

«Двойная СТО» дурацкое название, но оно укоренилось. Идея элегантна, до настоящего времени много обсуждается и изучается. Мы не знаем, описывает ли она природу, но мы знаем о ней достаточно, чтобы полагать, что она могла бы.

Первые отклики на DSR не были воодушевляющими. Некоторые люди говорили, что она непоследовательна; другие говорили, что она ничто иное как очень сложный способ записать эйнштейновскую СТО. Несколько человек критиковали теорию в обоих направлениях.

Мы ответили на второе критическое замечание, показав, что теория делает предсказания, отличающиеся от предсказаний СТО. Ключевая роль в этих дискуссиях была сыграна высококультурным фанатиком тяжёлой металлической музыки по имени Джерзи Ковальски-Гликман из Варшавы. (Возможно, только европейцы могли бы в полном смысле слова быть ими обоими.) Я убеждён, что он был первой персоной, которая на самом деле осмыслила то, что говорил Джованни Амелино-Камелиа; я определённо понял его статью, которая была краткой и кристально прозрачной, прежде чем я понял статью Джованни, которая была длинной, напечатанной мелким шрифтом и полной отступлений и деталей. Джерзи нашёл несколько важных следствий двойной СТО, и именно он привёл в порядок взаимосвязь между нашими попытками и более ранним математическим трудом его польских коллег.

Водоразделом в моём понимании DSR и того, как связаны различные подходы к ней, была дискуссия, которую мы имели однажды после обеда в доме моей подруги в Торонто. Джованни, Джерзи, Жоао и я сжались вокруг небольшого стола в её узкой столовой в попытке добраться до дна наших разногласий и недопониманий. Джерзи спокойно настаивал, что если всё имеет смысл, оно должно подходить к непротиворечивой математической структуре, которая для него означает некоммутативную геометрию, которую изучали он и его польские коллеги. Жоао говорил, что всё, что делается в физике, должно быть понятно без причудливой математики. Джованни утверждал, что легко говорить бессмыслицы об этих теориях, если вы не позаботились о том, какие математические выражения соответствуют вещам, которые могли бы быть измерены. В некоторый момент – я не помню особый комментарий, который побудил его, – Джованни схватил огромный хлебный нож и взвыл: «Если то, что вы говорите, верно, я перережу себе глотку. Сейчас же!»

Мы уставились на него, и после мгновения шокированного молчания мы свалились в хохоте, так уж он сделал. Только затем каждый из нас был готов начать слушать то, что говорят другие.

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 1980-е 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. Возбуждённые, 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 чём он говорит, на что он отвечает путём 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[90]90
  L. Freidel, J. Kovalski-Glikman, and L. Smolin, «2+1 Gravity and Doubly Special Relativity,» <2+1 гравитация и двойная СТО>, Phys. Rev. D, 69: 044001 (2004).


[Закрыть].

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[91]91
  E. Livine and L. Freidel, «Ponzano-Regge Model Revisited III: Feynman Dyagrams and Effective Field Theory,» <Пересмотр модели Понзано-Редджи, часть III: диаграммы Фейнмана и эффективная теория поля>, [http://arxiv.org/abs/hep-th/0502106];
  Class. Quant. Grav., 23: 2021-62 (2006).


[Закрыть]. Это важные результаты, поскольку факт, что имеется модель возможного мира, где DSR верна, гарантирует последовательность теории.

Имеется ещё 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, звёзды 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, звёзды даже ещё больше. Мы называем это проблемой футбольного мяча.

Проблема футбольного мяча существует в двумерном мире, но нет необходимости решать её 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 трёх 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[92]92
  Florian Girelli and Etera R. Livine, «Physics of Deformed Special Relativity,» <Физика деформированной СТО>, [http://arxiv.org/abs/gr-qc/0412079].


[Закрыть]. 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 её 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? Определённо, все известные теории струн должны были бы оказаться ложными, поскольку они очень сильно зависят от сохранения СТО. Но может всё 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 всё, 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 насчёт 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, путём выбора подходящего фона. Это сильно отличается от формирования предсказаний.

Что насчёт 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 ещё 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 ещё лучше, это если эксперимент подтвердил бы предсказание. В обоих случаях мы делали бы реальную науку.