Как сделать быстро красивые стрелки

Главная   Фонд   Концепция   Тексты Д.Андреева   Биография   Работы   Вопросы   Религия   Общество   Политика   Темы   Библиотека   Музыка   Видео   Живопись   Фото   Ссылки  


Ли Смолин


Размещение в сети: http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/
Дата написания: 2006;  автора: р. 1955;  файла: 22.12.2008
Lee Smolin. The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and what comes next
Houghton Mifflin, Boston, 2006. ISBN 9780618551057 0618551050
Перевод с английского издания: Penguin Book, London, 2007; ISBN 9780713997996
(c) 2007 Артамонов Юрий Александрович (перевод) | http://zhurnal.lib.ru/a/artamonow_j_a/


Аннотация: Новая книга Ли Смолина «Неприятности с физикой...» эмоционально противоположна восторженному энтузиазму книг Брайана Грина. У современных теорий переднего края (прежде всего, у теории струн) есть немалые проблемы, и честный разговор о них служит этаким ведром холодной воды на горячие головы. Ли Смолин известен как один из отцов-основателей теории петлевой квантовой гравитации – главного конкурента струнного подхода, – а также как автор книг Life of the Cosmos (1997) и Three Roads to Quantum Gravity (2001), в России не издававшихся. Книга местами не проста для осмысления, но весьма информативна. В ней в одном месте собраны самые последние результаты, которые неспециалисту было бы нелегко найти по первоисточникам. В первых трех частях книги оценивается состояние фундаментальной физики под тем углом, что теория струн зашла в тупик, приводятся свежие экспериментальные данные, не находящие объяснения в ее рамках. Четвертая часть посвящена организации (западной) академической науки и социальным причинам стагнации в области фундаментальной физики.


Посвящается Кэй


Введение


Может быть или может не быть Бога. Или богов. Однако есть что-то облагораживающее в нашем поиске божественного. А также нечто очеловечивающее, что отражается в каждом из путей, которые открывали люди, чтобы привести нас к более глубоким уровням истины. Некоторые отыскивают трансцедентное в медитации и молитве; другие ищут его в служении своим близким людям; еще другие, кто достаточно счастлив, чтобы иметь талант, ищут запредельное, занимаясь искусством.

Другим путем, затрагивающим самые глубокие вопросы жизни, является наука. Не то, чтобы каждый ученый являлся исследователем; большинство как раз нет. Но в рамках каждой научной дисциплины имеются те, кто страстно стремится узнать что-то самое существенно правильное о своей теме. Если они математики, они хотят знать, что есть числа или какой вид истины описывает математика. Если они биологи, они хотят знать, что есть жизнь и как она возникла. Если они физики, они хотят знать все о пространстве и времени и что привело мир к существованию. Эти фундаментальные вопросы наиболее тяжелы для ответов, и прогресс редко бывает непрерывным. Только горстка ученых имеет настойчивость для такой работы. Это один из самых рискованных видов деятельности, но велика и награда: когда кто-то отвечает на вопрос об основаниях той или иной темы, он может изменить все, что мы знаем.

Поскольку добавлять что-то в наше растущее хранилище знаний является их работой, ученые проводят свои дни, борясь с тем, чего они не понимают.

И те ученые, кто работает над основаниями любой заданной области, полностью осознают, что кирпичи в основании здания никогда не бывают так тверды, как склонны верить их коллеги.

Это история о поиске понимания природы не ее самом глубоком уровне. Ее главными героями являются ученые, которые работали, чтобы расширить наше знание основных законов физики. Период времени, к которому я буду обращаться, – грубо с 1975 года, – является промежутком и моей собственной профессиональной карьеры как физика-теоретика. Он же может быть и самым странным и разочаровывающим периодом в истории физики с тех времен, когда Кеплер и Галилей четыреста лет назад положили начало практике нашего ремесла.

История, о которой я буду говорить, могла бы читаться некоторыми как трагедия. Говоря прямо, – и чтобы обозначить линию удара, – мы потерпели неудачу. Мы унаследовали науку, физику, которая прогрессировала настолько быстро и настолько долго, что часто принималась за образец того, как должны действовать другие области науки. На протяжении более чем двух столетий до сегодняшнего времени наше понимание законов природы быстро расширялось. Но сегодня, несмотря на все усилия, то, что мы достоверно знаем об этих законах, не превышает того, что мы знали о них в 1970е.

Насколько необычно то, что на протяжении трех десятков лет в фундаментальной физике не произошло значительного прогресса? Даже если мы посмотрим назад более чем на двести лет, в те времена, когда наука большей частью касалась богатых любителей, это беспрецедентно. По меньшей мере, с конца восемнадцатого века существенный прогресс по ключевым вопросам достигался каждые четверть века.

К 1780, когда количественные химические эксперименты Антуана Лавуазье показали, что материя сохраняется, законы движения и гравитации Исаака Ньютона уже существовали почти сто лет. Но, хотя Ньютон дал нам систему для понимания всей природы, граница была широко открыта. Люди еще только начали изучать основные факты о материи, свете и теплоте, и еще предстояло прояснить загадочные явления вроде электричества и магнетизма.

На протяжении следующих двадцати пяти лет главные открытия были сделаны в каждой из этих областей. Мы начали понимать, что свет есть волна. Мы открыли закон, который управляет силами между электрически заряженными частицами. И мы сделали гигантский скачок в нашем понимании материи с атомной теорией Джона Дальтона. Было введено понятие энергии, интерференция и дифракция были объяснены в терминах волновой теории света, было обнаружено электрическое сопротивление и взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

В следующую четверть века, с 1830 по 1855, возникло несколько основных концепций, лежащих в основе современной физики. Майкл Фарадей осознал, что силы передаются полями; использованная им идея привела к величайшему продвижению нашего понимания электричества и магнетизма. В течение того же периода было предложено сохранение энергии, а также второй закон термодинамики.

В следующей четверти века пионерские идеи Фарадея о полях были применены Джеймсом Клерком Максвеллом в нашей современной теории электромагнетизма. Максвелл не только объединил электричество и магнетизм, он объяснил свет как электромагнитную волну. В 1867 он объяснил поведение газов в терминах атомной теории. В течение того же периода Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии.

Период с 1880 по 1905 отметился открытиями электрона и Х-лучей. В несколько этапов было проведено изучение теплового излучения, которое привело в 1900 к открытию Максом Планком правильной формулы для описания тепловых свойств радиации – формулы, которая воспламенит квантовую революцию.

В 1905 Альберту Эйнштейну было двадцать шесть лет. Он не смог получить академическую работу, несмотря на тот факт, что одни его ранние труды по физике теплового излучения могли бы рассматриваться как важный вклад в науку. Но это была только разминка. Вскоре он сосредоточился на фундаментальных вопросах физики: и первое, как относительность движения могла бы согласовываться с законами электричества и магнетизма Максвелла? Об этом он рассказал нам в своей специальной теории относительности (СТО). Должны ли мы думать о химических элементах как о ньютоновских атомах? Эйнштейн доказал нам, что должны. Как мы можем согласовать теории света с существованием атомов? Эйнштейн сказал нам, как, и в процессе показал, что свет является как волной, так и частицами. И все это в 1905, во время, выкроенное из его работы в должности патентного поверенного.

Результаты эйнштейновских прозрений сказались в следующей четверти века. К 1930 мы имели его общую теорию относительности (ОТО), которая сделала революционное утверждение, что геометрия пространства не фиксирована, а развивается во времени. Корпускулярно-волновой дуализм, открытый Эйнштейном в 1905, стал полностью реализованной квантовой теорией, которая дала нам детальное понимание атомов, химии, материи и радиации. К 1930 мы также знали, что вселенная содержит гигантские количества галактик, подобных нашей собственной, и мы узнали, что они удаляются прочь друг от друга. Следствия еще не были ясны, но мы узнали, что мы живем в расширяющейся вселенной.

С созданием квантовой теории и ОТО как части нашего понимания мира закончился первый этап революции в физике двадцатого века. Многие профессора физики, некомфортно чувствовавшие себя из-за революции в их областях компетентности, успокаивались мыслью, что мы должны бы вернуться назад к развитию науки нормальным путем, без обращения на каждом повороте к вопросам о наших основополагающих представлениях. Но это успокоение было преждевременным.

Эйнштейн умер в конце следующей четверти века, в 1955. К тому моменту мы узнали, как последовательно объединить квантовую теорию с СТО; это было великое достижение поколения Фримена Дайсона и Ричарда Фейнмана. Мы открыли нейтрон и нейтрино, а также сотни других предположительно элементарных частиц. Мы также поняли, что мириады явлений в природе управляются всего четырьмя силами: электромагнетизмом, гравитацией, сильными ядерными силами (которые удерживают как целое атомные ядра) и слабыми ядерными силами (ответственными за радиоактивный распад).

Следующая четверть века приводит нас к 1980. К этому моменту мы сконструировали теорию, объясняющую результаты всех наших экспериментов над элементарными частицами и силами на тот момент, – теорию, названную стандартной моделью физики элементарных частиц. Например, стандартная модель точно говорила нам, как протоны и нейтроны собираются из кварков, которые удерживаются вместе глюонами, носителями сильного ядерного взаимодействия. Впервые в истории фундаментальной физики теория совпала с экспериментом. С этого момента не было сделано ни одного эксперимента, который бы не соответствовал этой модели или ОТО.

Двигаясь от очень малого к очень большому, наше знание физики теперь распространилось к новой науке о космологии, где общепринятым взглядом стала теория Большого Взрыва. Мы осознали, что наша вселенная содержит не только звезды и галактики, но и экзотические объекты, такие как нейтронные звезды, квазары, сверхновые и черные дыры. К 1980 Стивен Хокинг уже сделал фантастическое предсказание о том, что черные дыры излучают. Астрономы также получили доказательства, что вселенная содержит много темной материи – что означает, материи в форме, которая не излучает и не отражает свет.

В 1981 космолог Алан Гут предложил сценарий для очень ранней истории вселенной, названный инфляцией. Грубо говоря, эта теория утверждает, что вселенная в очень ранний момент своей жизни прошла через рывок гигантского роста, и это объясняет, почему вселенная выглядит почти совсем одинаково в каждом направлении. Теория инфляции сделала предсказания, которые казались сомнительными до момента десятилетней давности, когда к ней начали поступать доказательства. Как об этом пишут, осталось несколько загадок, но весь объем доказательств поддерживает предсказания инфляции.

Таким образом, к 1981 физики отпраздновали двести лет взрывного роста. Открытие за открытием углубляли наше понимание природы, поскольку в каждом случае теория и эксперимент маршировали рука об руку. Новые идеи проверялись и подтверждались, а новые экспериментальные открытия объяснялись в терминах теории. Затем в начале 1980х ситуация вынужденно встала.

Я принадлежал к первому поколению физиков, образовавшемуся с момента установления стандартной модели физики частиц. Когда я встречаю старых друзей из колледжа и высшей школы, мы иногда спрашиваем друг друга: «Что такого мы открыли, чем бы наше поколение могло гордиться?» Если мы имеем в виду новые фундаментальные открытия, установленные экспериментом и объясненные теорией, – открытия на уровне тех, которые только что упоминались, – ответ, который мы должны признать, таков: «Ничего!» Марк Визе является ведущим теоретиком, работающим в физике частиц за пределами стандартной модели. На недавнем семинаре в Пограничном институте теоретической физики в Ватерлоо, Онтарио, где я работаю, он говорил о проблеме, откуда взялась масса элементарных частиц. Он сказал: "Мы были необыкновенно безуспешны в решении этой проблемы. Если я должен был бы рассказать о проблеме массы фермионов сейчас, я, вероятно, закончил бы рассказ вещами, которые я мог бы иметь в 1980х"[1]. Он рассказал историю о том, как он и Джон Прескилл, другой ведущий теоретик, прибыли в 1983 в Калифорнийский технологический институт, чтобы встретиться со своим факультетом. "Джон Прескилл и я сидели вместе в его офисе, разговаривали.... Джон сказал: «Ты знаешь, в Калтехе были боги физики, а теперь тут мы! Я стараюсь не забыть, что является важным, чтобы продолжать работать над ним.» Затем он заговорил о том, что было известно о массах кварков и лептонов, записал это на страничке желтой бумаги и приколол ее к своей доске для заметок,... так же, чтобы не забыть поработать над ним. Через пятнадцать лет я прохожу через его офис,... и мы разговариваем о чем-то, и я бросаю взгляд на его доску для заметок, и (отметьте это) этот листок бумаги все еще здесь, только все, что было на нем написано, выгорело на солнце. Так решались проблемы!"

Чтобы быть честным, мы сделали два экспериментальных открытия в последние два десятилетия: что нейтрино имеет массу и что во вселенной доминирует загадочная темная энергия, которая, кажется, ускоряет расширение вселенной. Но у нас нет идей, почему нейтрино (или любая из других частиц) имеет массу или что объясняет величину их массы. Так же и с темной энергией, она не объясняется в терминах любой существующей теории. Поэтому, ее открытие нельзя расценивать как успех, оно наводит на мысль, что имеется некоторый важнейший факт, которого нам всем не хватает. А исключая темную энергию, не было открыто новых частиц, не были найдены новые силы, мы не столкнулись ни с одним новым явлением, которое не было бы известно и понято двадцать пять лет назад.

Не поймите меня неправильно. Последние двадцать пять лет мы определенно были очень заняты. Достигнут гигантский прогресс в приложениях установленных теорий для различных объектов: свойств материалов, молекулярно-физических основ биологии, динамики обширных звездных скоплений. Но когда мы подходим к расширению нашего знания о законах природы, мы не имеем настоящего прогресса. Были исследованы многие прекрасные идеи, и были выдающиеся эксперименты на ускорителях частиц и космологические наблюдения, но они, большей частью, служили для подтверждения существующих теорий. Имелось несколько скачков вперед, но ни одного столь же определяющего или важного, как в предыдущие двести лет. Когда что-то похожее происходит в спорте или бизнесе, это называется упереться в стену.

Почему физика вдруг оказалась в затруднении? И что мы можем с этим сделать? Это центральные вопросы моей книги.

 

Я по натуре оптимист, и долгое время я боролся с заключением, что этот период в физике – период моей собственной карьеры – был необычно бесплодным. Для меня и многих моих друзей, кто пошел в науку в надежде сделать важный вклад в то, что было быстро растущей областью, это был шокирующий факт, к которому мы вынуждены подойти со словами: в отличие от предыдущих поколений, мы не достигли ничего, что мы могли бы завещать пережившим нас. Это дает начало персональным кризисам. Но, что более важно, это вызывает кризис в физике.

Главная задача для теоретической физики частиц на протяжении последних трех десятилетий состояла в более глубоком объяснении стандартной модели. Здесь было очень много активности. Постулировались и анализировались новые теории, некоторые очень детально, но ни одна не была подтверждена экспериментально. И здесь центр проблемы: в науке, чтобы мы были уверенными в теории, она должна делать новые предсказания – отличающиеся от тех, что делали предыдущие теории, – для еще не выполненных экспериментов. Чтобы эксперимент был осмысленным, мы должны быть в состоянии получить ответ, который расходится с этими предсказаниями. Когда это так, мы говорим, что теория фальсифицируема – уязвима по отношению к тому, чтобы оказаться опровергнутой. Теория также должна быть подтверждаема, должно быть возможным проверить новые предсказания, которые делает только эта теория. Только когда теория проверена и результаты с ней согласуются, мы можем продвинуть теорию в разряд верных теорий.

Текущий кризис в физике частиц вытекает из факта, что теории, которые предлагались за пределами стандартной модели в последние тридцать лет, распадаются на две категории. Некоторые были фальсифицируемы, и они были опровергнуты. Остаток теорий проверке не подвергался – или потому, что они не делают чистых предсказаний, или потому, что сделанные ими предсказания не проверяемы на сегодняшнем уровне технологии.

За последние тридцать лет теоретики предложили, по меньшей мере, дюжину новых подходов. Каждый подход был мотивирован убедительными гипотезами, но ни один до сегодняшнего дня не был успешен. В области физики частиц эти подходы включали техниколор, преонные модели и суперсимметрию. В области пространства-времени эти подходы включали теорию твисторов, причинные ряды, супергравитацию, динамические триангуляции и петлевую квантовую гравитацию. Некоторые из этих идей столь же экзотичны, как и их название.

Одна теория привлекла больше внимания, чем все остальные вместе: теория струн. Причину ее популярности нетрудно понять. Она претендовала на корректное описание большого и малого – как гравитации, так и элементарных частиц, – и, чтобы сделать это, она выдвинула самую смелую гипотезу из всех теорий: она постулировала, что мир содержит до сих пор не виданные измерения и намного больше частиц, чем известно в настоящее время. В то же время, она предположила, что все элементарные частицы возникают из колебаний единственной сущности – струны, – которая подчиняется простым и красивым законам. Она претендовала на роль единственной теории, которая объединяет все частицы и все силы в природе. По существу, она обещала сделать чистые и недвусмысленные предсказания для любого эксперимента, который когда-либо будет или мог бы быть сделан. В последние двадцать лет в теорию струн было направлено много усилий, но мы все еще не знаем, является ли она правильной. Даже после всех этих трудов теория не делает новые предсказания, которые являются проверяемыми сегодняшними – или даже мыслимыми сегодня – экспериментами. Несколько чистых предсказаний, которые она делает, уже были сделаны другими, хорошо признанными теориями.

Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстает перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими как ее огромный размер и существование темной энергии, мы останемся примерно с 10500 различными струнными теориями, – что означает единицу с 500 нулями после нее, больше, чем количество всех атомов в известной вселенной. С таким чудовищным числом теорий почти нет надежды, что мы сможем идентифицировать результат эксперимента, который не был бы выполнен одной из них. Таким образом, что бы ни показывал эксперимент, теория струн не может быть опровергнута. Но обратное тоже имеет место: не будет сделано когда-либо никаких экспериментов, которые смогли бы проверить ее правильность.

В то же время, мы очень мало понимаем в большинстве из этих теорий струн. И лишь малое число мы понимаем во всех деталях, каждая такая отдельная теория расходится с сегодняшними экспериментальными данными, обычно, по меньшей мере, в двух отношениях.

Так что мы стоим перед парадоксом. Те теории струн, которые мы знаем как изучать, известны как ошибочные. Те же, которые мы не можем изучить, мыслятся существующими в таких гигантских количествах, что ни один мыслимый эксперимент никогда не сможет их все опровергнуть.

Это не единственная проблема. Теория струн покоится на нескольких ключевых предположениях, для которых имеются некоторые основания, но нет доказательств. Даже хуже, после всех научных усилий, потраченных на ее изучение, мы все еще не знаем, имеется ли полная и последовательная теория, которая как раз и могла бы отзываться на имя «теория струн». Фактически, то, что мы имеем, совсем не является теорией, а лишь большой коллекцией приблизительных расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, каковы ее фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена – возможно, в будущем должен быть изобретен новый язык, чтобы описать ее. В отсутствие обоих фундаментальных принципов (подтверждаемость, фальсифицируемость) и математической формулировки мы не можем сказать, что мы даже знаем, что провозглашает теория струн.

Вот как струнный теоретик Брайан Грин представляет это в своей последней книге Ткань космоса: «Даже сегодня, более чем через три десятилетия после ее первоначального озвучивания большинство струнных практиков уверены, что мы все еще не имеем всестороннего ответа на элементарный вопрос: что есть теория струн?... [Б]ольшинство исследователей чувствует, что наша сегодняшняя формулировка теории струн все еще нуждается в некой разновидности центральных принципов, которые мы нашли в основании других великих достижений».[2]

Герард т'Хоофт, обладатель нобелевской премии за его труды в физике элементарных частиц, охарактеризовал состояние теории струн следующим образом: "На самом деле, я не стал бы даже пытаться называть теорию струн 'теорией', а не 'моделью' или даже так: просто предчувствием. В конце концов, теория должна выйти с инструкциями о том, как действовать в ее рамках, чтобы идентифицировать вещи, которые она хочет описать, в нашем случае элементарные частицы, и она должна быть в состоянии, по меньшей мере, в принципе, сформулировать правила для расчетов свойств этих частиц и как делать новые предсказания для них. Представим, что я даю вам кресло, одновременно объясняя, что ножки все еще отсутствуют, и что сидение, спинка и подлокотники будут, вероятно, в ближайшее время доставлены. Что бы я вам ни дал, могу ли я все еще называть это креслом?"[3]

Дэвид Гросс, нобелевский лауреат за его труды по стандартной модели, стал с тех пор одним из самых агрессивных и грозных защитников теории струн. Даже он, закрывая недавнюю конференцию, намеревался отпраздновать прогресс теории словами: "Мы не знаем, о чем мы говорим.... Состояние физики сегодня подобно тому, что было, когда мы были озадачены радиоактивностью.... Они потеряли что-то абсолютно фундаментальное. Мы потеряли, возможно, что-то столь же основательное, как и они в те времена."[4]

Но, хотя теория струн столь неполна, что даже само ее существование является недоказанной гипотезой, это не останавливает многих, кто работает над ней, от уверенности, что она представляет собой единственный путь вперед для теоретической физики. Одного известного струнного теоретика, Джозефа Полчински из Института теоретической физики Кавли в Калифорнийском университете, Санта Барбара, не так давно просили рассказать об «альтернативах струнной теории». Его первой реакцией были слова: "оказалось, что все это глупости, не имеется альтернатив.... Все хорошие идеи являются частью теории струн."[5] Любош Мотль, доцент в Гарварде, недавно заявил на своем блоге, что "наиболее вероятная причина, почему ни один... человек не убедил других в альтернативах к теории струн, заключается в том, что, вероятно, не существует альтернатив теории струн."[6]

Что тут происходит? Обычно в науке под термином теория имеется в виду нечто вполне определенное. Лайза Рэндалл, влиятельный теоретик в области частиц и коллега Мотля по Гарварду, определяет теорию как «определенную физическую систему взглядов, которая воплощается в наборе фундаментальных предположений о мире, – и экономную систему взглядов, которая включает в себя широкое разнообразие явлений. Теория дает особый набор уравнений и предсказаний – тех, которые подтверждаются успешным согласием с экспериментальными результатами».[7]

Теория струн не подходит под это определение – по меньшей мере, пока не подходит. Как тогда некоторые эксперты могут быть уверены, что альтернатив теории струн нет, если они точно не знают, что она собой представляет? Что такое в точности то, чему, как они уверены, нет альтернативы? Таковы некоторые вопросы, которые заставили меня написать эту книгу.

Теоретическая физика трудна. Очень трудна. Не потому, что она содержит определенное количество математики, а потому, что она содержит большие риски. Как мы увидим снова и снова, когда будем исследовать историю современной физики, наука такого рода не может делаться без риска. Если большое количество людей много лет работает над вопросом, а ответ остается неизвестным, это может означать, что ответ не легок или не очевиден. Или это может быть вопрос, на который нет ответа.

Теория струн в тех пределах, в которых она понята, постулирует, что мир фундаментально отличается от мира, который мы знаем. Если теория струн верна, мир имеет больше измерений и намного больше частиц и сил, чем мы до сих пор наблюдали. Многие струнные теоретики говорят и пишут так, как если бы существование этих дополнительных измерений и частиц было установленным фактом, в чем не может не сомневаться хороший ученый. Неоднократно струнные теоретики говорили мне нечто вроде «Но ты имеешь в виду, что ты полагаешь возможным, что нет никаких дополнительных измерений?» Фактически, ни теория, ни эксперимент не предлагают совсем никаких доказательств существования дополнительных измерений. Одна из целей этой книги заключается в демистификации утверждений теории струн. Идеи прекрасны и хорошо мотивированы. Но чтобы понять, почему они не привели к большему прогрессу, мы должны точно выяснить, что поддержано доказательствами, а что все еще нет.

Поскольку теория струн является таким высокорисковым предприятием, – не поддержанным экспериментом, хотя очень щедро поддержанным академическими и научными сообществами, – имеются только два пути окончания этой истории. Если теория струн окажется верной, струнные теоретики окажутся величайшими героями в истории науки. На основе горсти рассуждений, – ни одно из которых не имеет недвусмысленного прочтения, – они смогли открыть, что реальность намного более безбрежна, чем это раньше воображалось. Колумб открыл новый континент, не известный королю и королеве Испании (равно как испанские монархи были неизвестны жителям Нового Света). Галилей открыл новые звезды и луны, а затем астрономы открыли новые планеты. Все это побледнеет перед открытием новых измерений. Более того, многие струнные теоретики верят, что мириады миров, описываемых гигантским числом струнных теорий, реально существуют – как другие вселенные, которые нам невозможно увидеть непосредственно. Если они правы, мы видим намного меньшую часть реальности, чем часть земли, которую когда-либо видела любая группа обитателей пещеры. Никто в человеческой истории не мог когда-либо точно догадаться о таком огромном расширении известного мира.

С другой стороны, если струнные теоретики ошибаются, они не могут просто немножко ошибаться. Если новые размерности и симметрии не существуют, мы должны будем считать струнных теоретиков среди величайших неудачников науки, вроде тех, кто продолжал работать над эпициклами Птолемея, когда выдвинулись вперед Кеплер и Галилей. Их пример будет предостерегающим рассказом о том, как не надо делать науку, как не надо упускать теоретические гипотезы далеко за пределы того, что рационально можно утверждать как начало привлекательной фантазии.

Один результат взлета теории струн заключается в том, что сообщество людей, которые работают в фундаментальной физике, оказалось расколотым. Многие ученые продолжают работать над теорией струн, и за работу в этой области ежегодно присуждается, возможно, порядка пятидесяти новых степеней докторов философии. Но имеются некоторые физики, которые настроены глубоко скептически, – кто или никогда не видел смысла, или кто к настоящему моменту отказался от ожидания знака, что теория имеет последовательную формулировку или делает реальные экспериментальные предсказания. Стороны раскола не всегда дружелюбны. С каждой стороны выражаются сомнения в профессиональной компетентности и этических стандартах другой стороны, и поддерживать дружеские отношения через имеющееся разделение – это настоящая работа.

Доктор философии (Philosophiae Doctor, PhD) – высшая ученая степень в США и Канаде, присуждаемая после защиты соответствующей диссертационной работы почти во всех научных областях, например: доктор философии по физике. Соответствует степени кандидата наук в странах бывшего СССР. В ряде стран (Великобритания, Германия) существуют более высокие степени, эквивалентные советскому доктору наук. – (прим. перев.)

В соответствии с картиной науки, которую мы изучали в школе, ситуации, подобные этой, не предполагают развития. Вся суть современной науки, как мы учились, в том, что она есть метод, который приводит к прогрессу в нашем понимании природы. Несогласие и противостояние, конечно, необходимы науке, чтобы прогрессировать, но при этом всегда предполагается, что имеется путь разрешения споров посредством эксперимента или математики. В случае теории струн, однако, кажется, что этот механизм отказал. Многие сторонники и критики теории струн настолько утвердились в своих взглядях, что тяжело получить радушное обсуждение проблемы даже среди друзей. «Как ты можешь не видеть красоту теории? Как теория могла бы делать все это и не быть верной?» – говорят струнные теоретики. Это провоцирует не менее горячий ответ от скептиков: «Вы потеряли свой ум? Как вы можете верить так сильно в какую бы то ни было теорию при полном отсутствии экспериментальной проверки? Вы забыли, как наука допускает к результату? Как вы можете быть уверены, что вы правы, когда вы даже не знаете, что из себя представляет теория?»

Я писал эту книгу в надежде, что она внесет вклад в честную и полезную дискуссию как среди экспертов, так и среди читателей-непрофессионалов. Несмотря на то, что я видел в последние несколько лет, я верю в науку. Я верю в способность научного сообщества подняться над раздражительностью и разрешить противоречия через рациональные аргументы, основывающиеся на стоящих перед нами доказательствах. Я сознаю, что даже только поднимая эти проблемы, я вызову гнев некоторых моих друзей и коллег, которые работают в теории струн. Я могу только настаивать, что я пишу эту книгу не для атаки на теорию струн или тех, кто в нее верит, но и без восхищения перед ней, и, главным образом, как выражение веры в физическое научное сообщество.

Так что это книга не про «нас» против «них». В течение моей карьеры я работал как над струнной теорией, так и над другими подходами к квантовой гравитации (то есть, к согласованию ОТО Эйнштейна с квантовой теорией). Даже если большая часть моих усилий прошла в этих других подходах, были периоды, когда я жадно верил в теорию струн и посвящал себя решению ее ключевых проблем. Хотя я не решил их, я написал восемнадцать статей по этой теме; таким образом, ошибки, которые я буду обсуждать, являются моими ошибками в той же мере, как и любого другого. Я буду говорить о гипотезах, в правильности которых была широкая уверенность, несмотря на то, что ни одна не была подтверждена. Но я находился среди верующих, и я выбирал направление своих исследований, основываясь на этой вере. Я буду говорить о давлении, которое чувствуют юные ученые и которое принуждает их для получения достойной карьеры заняться темами, санкционированными генеральным направлением. Я чувствовал это давление на себе, и было время, когда я позволил своей карьере управляться им. Конфликт между необходимостью независимо выражать научное мнение и делать это способом, который не отчуждает тебя от главного потока, был еще одним, что я также испытал. Я написал эту книгу не для того, чтобы критиковать ученых, кто сделал отличные от моего выборы, а для изучения вопроса, почему ученые вообще должны конфликтовать из-за таких выборов.

Фактически, это мне давно подсказывало решиться и написать эту книгу. Я сам не люблю конфликты и конфронтации. В конце концов, в том виде науки, которым мы занимаемся, все, заслуживающее внимания, делается с риском, и все, что реально имеет значение, это что студенты наших студентов будут достойно думать об обучении их собственных студентов на пятьдесят лет дальше по дороге. Я сохраняю надежды, что кто-то в центре исследований теории струн напишет объективную и детальную критическую работу о том, чего в точности теория достигла, а чего не достигла. Этого не происходит.

Одна из причин донести эти проблемы до публики возвращается к дебатам, которые имели место несколько лет назад между учеными и «социальными конструктивистами», группой профессоров гуманитарных и социальных наук, о том, как работает наука. Социальные конструктивисты объявили, что научное сообщество не более рационально или объективно, чем любое другое человеческое сообщество. Это не то, как большинство ученых видят науку. Мы говорим нашим студентам, что уверенность в научной теории должна всегда базироваться на объективном развитии доказательств. Наши оппоненты по спору утверждали, что наши заявления о том, как работает наука, большей частью были пропагандой, сконструированной, чтобы устрашить людей, чтобы передать нам власть, и что вся научная отрасль двигается теми же политическими и социологическими силами, которые руководят людьми в других областях.

Один из главных аргументов, который мы, ученые, использовали в этих дебатах, заключался в том, что наше сообщество отличается, поскольку мы управляемся в соответствии с высокими стандартами – стандартами, которые предотвращают нас от выбора любой теории, пока она не подтверждена посредством публикации вычислений и экспериментальных данных за пределами сомнений компетентного профессионала. Как я буду касаться в некоторых деталях, это не всегда так в теории струн. Несмотря на отсутствие экспериментальной поддержки и точной формулировки, некоторые последователи теории уверены в ней с определенностью, что кажется, скорее, эмоциональным, чем рациональным.

Агрессивное продвижение теории струн привело к ее становлению как главного пути для анализа больших вопросов физики. Почти каждый теоретик в области частиц с постоянным местом работы в престижном Институте перспективных исследований, включая директора, является струнным теоретиком, исключение составляет персона, приглашенная на работу десять лет назад. То же самое верно для Института теоретической физики Кавли. Восемь из девяти премий Общества Макартура для физиков в области частиц с начала программы в 1981 году достались струнным теоретикам. И в ведущих физических организациях страны (Беркли, Калтех, Гарвард, Массачусетский технологический, Принстон и Стэнфорд) двадцать один из двадцати двух профессоров по физике частиц, работающих на срочном договоре, кто получил степень доктора философии после 1981, сделали себе имя в теории струн или в связанных подходах.

Теория струн сейчас занимает настолько доминирующее положение в академической науке, что для юного физика-теоретика было бы практически карьерным самоубийством не заниматься этой областью. Даже в областях, где теория струн не делает предсказаний, вроде космологии и феноменологии частиц, для исследователей является общим местом начинать доклад или статью объявлением уверенности, что их труд когда-нибудь в будущем будет выводим из теории струн.

Имеются веские причины принимать теорию струн всерьез как гипотезу о природе, но это не то же самое, что декларировать ее правильность. Я вложил несколько лет в работу по теории струн, поскольку я верил в нее достаточно, чтобы желать приложить свои руки к решению ее ключевых проблем. Я также верил, что я не имею права на мнение, пока я не знаю ее в деталях, как может знать только практикующий ее физик. В то же время, я работал над другими подходами, которые также обещали ответы на фундаментальные вопросы. В результате ко мне относились с некоторым подозрением люди на обеих сторонах дебатов. Некоторые струнные теоретики рассматривали меня как «антиструнного». Это не могло бы быть менее правильным. Я никогда бы не потратил так много времени и усилий на работу по теории струн или не написал бы три книги, в значительной степени мотивированные ее проблемами, если бы я не был очарован ей и не чувствовал, что она может оказаться частью истины. Я не ратую за что-нибудь, кроме науки, ни против чего-нибудь, кроме того, что рассматривается наукой.

Но здесь на кону больше, чем мирные отношения между коллегами. Чтобы делать нашу работу, нам, физикам, требуются значительные ресурсы, которые обеспечиваются, большей частью, нашими согражданами – через налоги, а также и через деньги фондов. Взамен они просят только возможность видеть через наши плечи, как мы выковываем будущее и углубляем человеческое знание мира, частью которого мы являемся. Те физики, которые общаются с публикой через статьи ли, публичные выступления, телевидение или Интернет, несут обязанность рассказывать честную историю. Мы должны стараться представить неудачи вместе с успехами. В самом деле, честность по поводу ошибок означает возможность помочь, вместо того, чтобы мешать нашему делу. В конце концов, поддерживающие нас люди живут в реальном мире. Они знают, что прогресс во всех попытках требует, чтобы принимались во внимание реальные риски, что временами мы будем терпеть неудачу.

В последние годы множество книг и журнальных статей для широкой публики описывали ошеломляющие новые идеи, которые вырабатывали физики-теоретики. Некоторые из этих хроник меньше всего заботились об объяснении именно того, насколько далеко новые идеи находятся как от экспериментального тестирования, так и от математического доказательства. Получая выгоду от желания публики знать, как работает вселенная, я чувствую обязанность подтвердить, что рассказываемая в этой книге история строго придерживается фактов. Я надеюсь, что представление различных проблем, которые мы оказались не в состоянии решить, прозрачно объяснит, что поддерживается экспериментом, а что нет, и отличит факты от спекуляций и интеллектуальных фантазий.

Прежде всего, мы, физики, несем ответственность за будущее нашего ремесла. Наука, как я обосную позже, основывается на этике, а этика требует честности от части практиков науки. Это также требует, чтобы каждый ученый был знатоком того, во что он или она верит, так, чтобы каждая неподтвержденная идея встречалась со здоровой дозой скептицизма и критики, пока она не будет доказана. Это, с другой стороны, требует, чтобы в научном сообществе поддерживалась и приветствовалась диверсификация подходов к нерешенным проблемам. Мы проводим исследования, поскольку даже самый умный среди нас не знает ответа. Часто ответ лежит в ином направлении, чем то, которому следовали в рамках генеральной линии. В этих случаях, и даже когда генеральное направление считается правильным, прогресс науки зависит от здоровой поддержки ученых, которые придерживались отличающихся взглядов.

Наука требует деликатного баланса между конформизмом и разнообразием. Поскольку так легко ошибиться, поскольку ответы не известны, эксперты, не важно, насколько умные или натренированные, не сойдутся во мнениях по поводу того, какой подход более вероятно даст плоды. Следовательно, если наука хочет двигаться вперед, научное сообщество должно поддерживать различные подходы к каждой отдельной проблеме.

Имеются обширные доказательства, что этим базовым принципам в случае фундаментальной физики больше не следуют. Хотя некоторые могут быть не согласны с высказыванием других взглядов, это все меньше и меньше практикуется. Некоторые молодые струнные теоретики говорили мне, что они чувствуют принуждения к работе над струнной теорией, верят они в нее или нет, поскольку это воспринимается как билет к профессорству в университете. И они правы: в Соединенных Штатах теоретик, который занимается подходами к фундаменальной физике, иными, чем теория струн, почти не имеет карьерных возможностей. За последние пятнадцать лет было всего три доцента, назначенных в американские исследовательские университеты, кто работал над подходами к квантовой гравитации, отличающимися от теории струн, и все эти назначения были в единственную исследовательскую группу. Раз уж теория струн борется на стороне науки, она одержала триумфальную победу в академии.

Это причиняет вред науке, поскольку заставляет отказаться от исследований альтернативных направлений, некоторые из которых очень многообещающие. Несмотря на неадекватное финансирование этих подходов, некоторые оказались впереди теории струн в отношении предложения определенных предсказаний для экспериментов, которые сейчас проводятся.

Как это возможно, что теория струн, которой занимались более тысячи блестящих и хорошо образованных ученых, работая в лучших условиях, находится в опасности неудачи? Это удивляло меня долгое время, но сейчас я думаю, что я знаю ответ. Что, я уверен, потерпело неудачу, это не только отдельная теория, но и стиль ведения науки, который хорошо подходил к проблемам, стоявшим перед нами в середине двадцатого века, но перестал быть пригодным для тех видов фундаментальных проблем, которые стоят перед нами сейчас. Стандартная модель физики частиц была триумфом особого способа ведения науки, который начал доминировать в физике с 1940х. Этот стиль прагматичен и реалистичен, он поощряет виртуозность в расчетах при обдумывании тяжелых концептуальных проблем. Это крайне отличается от способа, которым делали науку Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие революционеры начала двадцатого века. Их работа возникала из глубокого размышления о наиболее основных вопросах окружающего пространства, времени и материи, и они видели, что они являлись частью широкой философской традиции, в которой они были дома.

В подходе к физике частиц, разработанном и преподанном Ричардом Фейнманом, Фрименом Дайсоном и другими, раздумья над фундаментальными проблемами не имели места в исследовании. Это освободило их от споров по поводу смысла квантовой физики, которые мучили их предшественников, и привело к тридцати годам впечатляющего прогресса. Это было так, как это и должно быть: для решения разных видов проблем были нужны различные стили исследований. Разработка приложений установленных концептуальных систем требует совсем других видов размышлений – и мыслителей, – чем открытие этих самых концептуальных систем впервые.

Однако, как я буду обосновывать в деталях на следующих страницах, урок последних тридцати лет в том, что проблемы, вставшие сегодня, не могут быть решены этим прагматическим способом ведения науки. Чтобы продолжить прогресс науки, мы опять должны бороться с глубокими вопросами о пространстве и времени, квантовой теории и космологии. Нам снова нужны типы людей, которые могут открыть новые решения давно стоящих основополагающих проблем. Как мы увидим, направления, в которых делается прогресс, – которые приводят теорию назад к контакту с экспериментом, – ведутся людьми, которые имеют свободное время, чтоб придумывать новые идеи, а не следовать популярным трендам, и делать науку, большей частью, в размышляющем и основательном стиле пионеров начала двадцатого века.

Я хочу подчеркнуть, что моя тема не связана со струнными теоретиками как индивидуальностями, некоторые из них являются самыми талантливыми и достигшими совершенства физиками, которых я знаю. Я буду первым отстаивать их право на продолжение исследований так, как они полагают самым многообещающим. Но я предельно озабочен тенденцией, в которой всесторонне поддерживается только одно направление исследований, тогда как другие многообещающие подходы мрут от голода.

Это тенденция с трагическим последствиями, если, как я буду обосновывать, истина лежит в направлении, которое требует радикального переосмысления наших базовых идей о пространстве, времени и квантовом мире.

Часть I
Незавершенная революция


1. Пять великих проблем теоретической физики


С самых ранних времен становления физики как науки находились люди, которые представляли себя последним поколением, сталкивающимся с неизвестным. Физика всегда казалась ее деятелям почти завершенной. Это самодовольство разбивается только во время революций, когда честные люди вынуждены признать, что они не знают основ. Но даже революционеры все еще представляют, что главная идея – та, что все объединит и приведет поиск знания к завершению, – лежит прямо за углом.

Мы живем в один из таких революционных периодов уже столетие. Последним таким периодом была революция Коперника, возникшая в начале шестнадцатого века, во время которой аристотелевы теории пространства, времени, движения и космологии были низвергнуты. Кульминацией указанной революции было предложение Исааком Ньютоном новой теории физики, опубликованное в 1687 в его Математических Принципах Натуральной Философии. Сегодняшняя революция в физике началась в 1900 с открытием Максом Планком формулы, описывающей распределение энергии в спектре теплового излучения, которая продемонстрировала, что энергия не непрерывна, но дискретна. Эта революция еще завершается. Проблемы, которые физики должны решать сегодня, являются, по большому счету, вопросами, которые остаются без ответа вследствие незавершенности научной революции двадцатого века.

Ядро нашей неспособности завершить текущую научную революцию состоит из пяти проблем, каждая из которых в высшей степени неподатлива. Эти проблемы противостояли нам, когда я начинал мои занятия физикой в 1970е, и, хотя мы много узнали о них за последние три десятилетия, они остались нерешенными. Так или иначе, любая предлагаемая теория фундаментальной физики должна решить эти пять проблем, так что стоит бросить краткий взгляд на каждую.

Альберт Эйнштейн был, определенно, самым значительным физиком двадцатого столетия. Его величайшей работой, возможно, было его открытие общей теории относительности (ОТО), которая является лучшей из имеющихся у нас на сегодняшний день теорий пространства, времени, движения и гравитации. Его глубочайшим прозрением было то, что гравитация и движение тесно связаны друг с другом и с геометрией пространства и времени. Эта идея завершила сотни лет раздумий о природе пространства и времени, которые до нее рассматривались как фиксированные и абсолютные. Будучи вечными и неизменными, они обеспечивали фон, который мы использовали для определения таких понятий как положение и энергия.

В ОТО Эйнштейна пространство и время больше не обеспечивают фиксированного абсолютного фона. Пространство столь же динамично, как и материя, оно двигается и деформируется. В итоге пустая вселенная может расширяться или сокращаться, а время может даже начаться (в Большом Взрыве) и закончиться (в черной дыре).

Эйнштейн довел до конца и кое-что другое. Он был первым человеком, который понял необходимость новой теории материи и излучения. На самом деле необходимость перелома подразумевалась в формуле Планка, но Планк не понял этого достаточно глубоко, он полагал, что формулу можно было бы примирить с ньютоновской физикой. Эйнштейн думал иначе, и первое определенное обоснование такой теории он дал в 1905. Потребовалось еще двадцать лет, чтобы изобрести эту теорию, известную как квантовая теория.

Каждое из этих двух открытий, относительность и кванты, требует от нас определенного разрыва с ньютоновской физикой. Однако, несмотря на великий прогресс на протяжении века, они остались незавершенными. Каждое имеет дефекты, которые указывают на существование более глубокой теории. Но главная причина незавершенности каждого заключается в существовании другого.

Разум вызывает третью теорию для унификации всей физики, и по простой причине. Природа в очевидном смысле «едина». Вселенная, в которой мы сами находимся, находится во взаимосвязи, что означает, что все взаимодействует со всем прочим. Нет оснований, по которым мы могли бы иметь две теории природы, покрывающие различные явления, как если бы одна никогда не действовала вместе с другой. Все требует, чтобы конечная теория была полной теорией природы. Она должна включать в себя все, что мы знаем. Физика долгое время существовала без такой единой теории. Причина в том, что, говоря о подходящем эксперименте, мы были в состоянии разделить мир на две области. В атомной области, где правит квантовая физика, мы обычно можем игнорировать гравитацию. Мы можем трактовать пространство и время почти как это делал Ньютон – как неизменный фон. Другая область является областью гравитации и космологии. В этом мире мы часто можем игнорировать квантовые явления.

Но это не может быть ничем другим, как временным, предварительным решением. Выйти за его пределы и является первой нерешенной проблемой в теоретической физике:

ПРОБЛЕМА 1: Объединить ОТО и квантовую теорию в одну теорию, которая может претендовать на роль полной теории природы.

Это называется проблемой квантовой гравитации.

За пределами аргументов, основывающихся на единстве природы, имеются проблемы, специфические для каждой теории, которая требует объединения с другой. Каждая теория имеет проблему бесконечностей. В природе мы еще не столкнулись с чем-то измеримым, что имеет бесконечную величину. Но как в квантовой теории, так и в общей теории относительности мы сталкиваемся с предсказаниями физически осмысленных величин, становящихся бесконечными. Это похоже на то, что природа таким путем наказывает нахальных теоретиков, которые осмелились разрушить ее единство.

ОТО имеет проблему с бесконечностями, поскольку внутри черной дыры плотность материи и напряженность гравитационного поля быстро становятся бесконечными. Это же проявляется и в очень ранней истории вселенной – по меньшей мере, если мы доверяем общей теории относительности для описания ее младенчества. В точке, в которой плотность становится бесконечной, уравнения ОТО распадаются. Некоторые люди интерпретируют такое поведение как остановку времени, но более умеренный взгляд заключается в том, что теория просто неадекватна. В течение долгого времени умудренные люди рассуждали о том, что эта неадекватность происходит от пренебрежения эффектами квантовой физики.

Квантовая теория, в свою очередь, имеет свои собственные неприятности с бесконечностями. Они возникают всякий раз, когда вы пытаетесь использовать квантовую механику для описания полей, вроде электромагнитного поля. Проблема в том, что электрическое и магнитное поля имеют величину в каждой точке пространства.

Это означает, что имеется бесконечное число переменных (даже в конечном объеме, где имеется бесконечное число точек, а отсюда бесконечное число переменных). В квантовой теории имеются неконтролируемые флуктуации в величинах каждой квантовой переменной. Бесконечное число неконтролируемо флуктуирующих переменных могут привести к уравнениям, которые «отбиваются от рук» и предсказывают бесконечные числа, когда вы задаете вопросы о вероятности наступления некоторого события или о величине некоторой силы.

Так что это является другим случаем, когда мы не можем помочь, но чувствуем, что существенная часть физики осталась за бортом. Долгое время была надежда, что, когда гравитация будет принята во внимание, флуктуации будут укрощены и все станет конечным. Если бесконечности являются знаком нарушения унификации, единая теория не будет их иметь. Это будет тем, что мы называем конечной теорией, теорией, которая отвечает на любой вопрос в терминах осмысленных, конечных чисел.

Квантовая механика была экстремально успешной в объяснении широчайшего круга явлений. Эта область простирается от излучения до свойств транзисторов и от физики элементарных частиц до действия ферментов и других больших молекул, которые являются строительными кирпичиками жизни. Ее предсказания подтверждались снова и снова в течение последнего столетия. Но некоторые физики всегда имели тревожные опасения по ее поводу, поскольку реальность, которую она описывает, столь эксцентрична. Квантовая теория содержит внутри себя некоторые очевидные концептуальные парадоксы, которые даже после восьмидесяти лет остаются неразрешенными. Электрон проявляется как волна и как частица. Так же ведет себя свет. Более того, теория дает только статистические предсказания субатомного поведения. Наша способность сделать что-нибудь лучше этого ограничивается принципом неопределенности, который говорит нам, что мы не можем в одно и то же время измерить положение и импульс частицы. Теория производит только вероятности. Частица – например, электрон в атоме – может быть где угодно, пока мы ее не измерим; наше наблюдение в некотором смысле определяет ее состояние. Все это указывает на то, что квантовая теория не рассказывает полную историю. В итоге, несмотря на ее успех, имеются многие эксперты, которые убеждены, что квантовая теория скрывает нечто существенное о природе, о чем нам нужно узнать.

Одна из проблем, которая с самого начала мучает теорию, заключается в вопросе о соотношении между реальностью и формализмом. Физики традиционно ожидают, что наука должна давать оценку реальности такой, какой она была бы в наше отсутствие. Физика должна быть больше, чем набор формул, которые предсказывают, что мы будем наблюдать в эксперименте; она должна давать картину того, какова реальность на самом деле. Мы являемся случайными потомками древних приматов, которые появились в истории мира лишь совсем недавно. Не может быть, что реальность зависит от нашего существования. Проблема отсутствия наблюдателей не может быть решена и путем обращения к возможности существования чужих цивилизаций, так как было время, когда мир существовал, но был слишком горячим и плотным, чтобы существовал организованный разум.

Философы называют такую точку зрения реализмом. Она может быть обобщена через высказывание, что «реальный мир не здесь» (RWOT – real world out there, сокращение, которое использовал для его обозначения мой первый учитель философии) должен существовать независимо от нас. Отсюда следует, что термины, в которых наука описывает реальность, не могут включать любым существенным образом тот факт, что мы выбираем, измерять нам или не измерять.

Квантовая механика, по меньшей мере, в той форме, в которой она была впервые предложена, не подгоняется легко под реализм. Это происходит из-за того, что теория предполагает разделение природы на две части. С одной стороны разделения имеется наблюдаемая система. Мы, наблюдатели, находимся с другой стороны. С нами имеются инструменты, которые мы используем при проведении экспериментов и осуществлении измерений, и часы, которые мы используем, чтобы записать, когда произошли те или иные вещи. Квантовая теория может описываться, если использовать новый вид языка, в диалоге между нами и системой, которую мы исследуем нашими инструментами. Этот квантовый язык содержит глаголы, которые обозначают наши приготовления и измерения, и существительные, которые обозначают, что затем наблюдается. Он ничего не говорит нам о том, как будет выглядеть мир в наше отсутствие.

С момента первого предложения квантовой теории бушуют дебаты между теми, кто принимает такой путь подхода к науке, и теми, кто отвергает его. Многие основатели квантовой механики, включая Эйнштейна, Эрвина Шредингера и Луи де Бройля, находили такой подход к физике отвратительным. Они были реалистами. Для них квантовая теория, независимо от того, насколько хорошо она работает, была неполной теорией, поскольку она не обеспечивала картину реальности в отсутствие нашего взаимодействия с ней. На другой стороне были Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и многие другие. Вместо того, чтобы ужасаться, они принимали такой новый путь подхода к науке.

С тех пор реалисты добились некоторых успехов в обозначении непоследовательности существующей формулировки квантовой теории. Некоторые из этих очевидных непоследовательностей возникают вследствие того, что квантовая теория, если она универсальна, должна также описывать нас самих. При этом возникают проблемы из-за разделения мира, которое требуется, чтобы придать смысл квантовой теории. Одна трудность заключается в том, где вы должны провести разделительную линию, которая зависит от того, кто проводит наблюдение. Когда вы измеряете атом, вы и ваши инструменты находятся по одну сторону, а атом по другую сторону. Но допустим, что я наблюдаю за вашей работой через видеокамеру. Я настроился на вашу лабораторию. Я могу рассматривать всю вашу лабораторию – включая вас и ваши инструменты, точно так же, как и атомы, с которыми вы манипулируете, – как составные части одной системы, которую я наблюдаю. С другой стороны буду только я.

Следовательно, вы и я описываем две разные «системы». Ваша включает только атом. Моя включает вас, атом и все то, что вы используете для его исследования. То, что вы рассматриваете как измерение, я рассматриваю как две физические системы, взаимодействующие друг с другом. Таким образом, даже если вы согласны, что хорошо иметь воздействие наблюдателя как часть теории, теория как таковая не достаточна. Квантовая механика должна быть расширена, чтобы учесть многие другие описания, зависящие от того, кто наблюдатель.

Вся эта проблема известна под названием проблемы обоснований квантовой механики. Она является второй великой проблемой современной физики.

ПРОБЛЕМА 2: Решение проблемы обоснований квантовой механики или путем придания смысла теории в ее существующем виде, или путем изобретения новой теории, которая имеет смысл.

Имеется несколько различных путей, как это можно сделать.

 

1. Обеспечить осмысленный язык для теории, который разрешает все головоломки вроде той, что только что была упомянута, и включает в себя разделение мира на систему и наблюдателя как существенную особенность теории.

2. Найти новую интерпретацию теории – новый способ прочтения уравнений, – которая реалистична, так что измерение и наблюдение не будут играть роли в описании фундаментальной реальности.

3. Изобрести новую теорию, такую, которая бы дала более глубокое понимание природы, чем это делает квантовая механика.

 

Все три пути в настоящее время исследуются небольшим числом умных людей. К сожалению, не многие физики работают над данной проблемой. Временами это принимается за указание, что проблема или решена, или не важна. Ни то ни другое не верно. Это, вероятно, самая серьезная проблема, стоящая перед современной наукой. Просто она столь трудна, что прогресс очень мал. Я глубоко восхищаюсь физиками, которые работают над ней, как из-за чистоты их усилий, так и из-за их мужества игнорировать моду и атаковать тяжелейшую и самую фундаментальную из проблем.

Но, несмотря на их лучшие попытки, проблема остается нерешенной. Это указывает для меня на то, что дело не только в нахождении нового способа размышлений о квантовой теории. Те, кто изначально формулировал теорию, не были реалистами. Они не верили, что человек способен сформировать правильную картину мира, как он существует независимо от наших действий и наблюдений. Вместо этого они отстаивали совершенно иной взгляд на науку: с их точки зрения наука может быть ничем иным, как расширением обычного языка, который мы используем для описания наших действий и наблюдений, до другого языка.

В более давние времена такой взгляд казался оправданным – продукт времени, когда мы надеялись, что мы продвинулись вперед во многих отношениях. Те, кто продолжает защищать квантовую механику в том виде, как она была сформулирована, и предлагает ее как теорию мира, действуют так обычно под знаменем реализма. Они ратуют за переинтерпретацию теории в русле реализма. Однако, хотя они и сделали некоторые интересные предложения, никого полностью не убедили.

Возможно, что это связано с тем, что реализм как философия просто вымер, но это кажется невероятным. В конце концов, реализм обеспечивает мотивацию, двигающую большинство ученых. Для большинства из нас, верящих в «реальный мир не здесь» (RWOT) и в возможность правильного знания, он обеспечивает мотивацию для тяжелой работы, необходимой, чтобы стать ученым и внести свой вклад в понимание природы. Если признать неудачу реалистов в придании смысла квантовой теории в ее исходной формулировке, становится все более и более вероятным только путь три: открытие новой теории, которая будет более подвержена реалистической интерпретации.

Я должен признать, что я реалист. Я на стороне Эйнштейна и других, кто верил, что квантовая механика является неполным описанием реальности. Тогда где мы должны искать, что неверно в квантовой механике? Мне всегда казалось, что решение будет требовать более чем глубочайшего понимания самой квантовой физики. Я верю, что если проблема не была решена после всех прошедших времен, это происходит из-за некоторых ошибок, из-за некоторых связей с другими проблемами физики. Невероятно, чтобы проблема квантовой механики была решена изолированно, напротив, решение, вероятно, будет появляться по мере достижения нами прогресса в величайшей задаче унификации физики.

Но, если это верно, это работает в обе стороны: мы не сможем решить другие большие проблемы без нахождения также осмысленной замены для квантовой механики.

Идея, что физика должна быть унифицирована, вероятно, вызвала больше работ в физике, чем любая другая проблема. Но имеются различные пути, по которым физика может быть унифицирована, и мы должны постараться различить их. До сих пор мы обсуждали унификацию через отдельный закон. Непросто увидеть, как кто-то может не согласиться, что это необходимая цель.

Но имеются другие пути унификации мира. Эйнштейн, который определенно думал об этом более любого другого, подчеркивал, что мы должны различать два вида теорий. Это теории принципов и конструктивные теории. Теория принципов устанавливает систему взглядов, которая делает возможным описание природы. По определению, теория принципов должна быть универсальной: она должна быть применима ко всему, поскольку она устанавливает основной язык, который мы используем, чтобы говорить о природе. Не может быть двух различных теорий принципов, применимых к различным областям природы. Поскольку мир един, все, в конечном счете, взаимодействует со всем другим, и может быть только один язык, используемый для описания этих взаимодействий. Квантовая теория и общая теория относительности обе являются теориями принципов. Раз так, логика требует их объединения.

Другой вид теорий, конструктивные теории, описывают некоторые отдельные явления в терминах специфических моделей или уравнений.[8] Теория электромагнитного поля и теория электрона есть конструктивные теории. Такие теории не могут устанавливаться в одиночестве; они должны быть встроены в контекст теории принципов. Но до тех пор, пока теория принципов не появилась, могут существовать явления, подчиняющиеся различным законам. Например, электромагнитное поле подчиняется законам, отличным от законов, управляющих теоретически допустимой космологической темной материей (ее количество, как полагают, значительно превышает количество ординарной атомной материи в нашей вселенной). Одна из вещей, которую мы знаем о темной материи независимо от того, что она из себя представляет, это то, что она темная. Это означает, что она не испускает света, так что она, вероятно, не взаимодействует с электромагнитным полем. Поэтому две различные теории могут сосуществовать бок о бок.

Дело в том, что законы электромагнетизма не диктуют, что еще может существовать в мире. Там могут быть кварки или нет, нейтрино или нет, темная материя или нет. Аналогично, законы, которые описывают два взаимодействия – сильное и слабое, – которые действуют внутри атомных ядер, не обязательно требуют, чтобы там были и электромагнитные силы. Мы можем легко представить мир, в котором есть электромагнетизм, но нет сильного ядерного взаимодействия, или наоборот.

Но все еще возможно спросить, не могут ли силы, которые мы наблюдаем в природе, быть проявлениями единственной, фундаментальной силы. Тут кажется, насколько я могу судить, нет логических аргументов, что это должно быть верно, но это все еще является чем-то, что может быть верным.

Страстное желание объединить различные силы привело к нескольким существенным продвижениям в истории физики. Джеймс Клерк Максвелл в 1867 объединил электричество и магнетизм в одну теорию, а столетием позже физики обнаружили, что электромагнитное поле и поле, которое распространяет слабые ядерные силы (силы, отвечающие за радиоактивный распад), могут быть объединены. Такой теорией стала электрослабая теория, предсказания которой раз за разом подтверждались в экспериментах на протяжении последних тридцати лет.

Имеются две фундаментальных силы природы (из тех, что мы знаем), которые остаются за пределами объединения электромагнитных и слабых сил. Это гравитация и сильное ядерное взаимодействие, отвечающее за связь между собой частиц, именуемых кварками, чтобы сформировать протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра. Можно ли объединить все четыре фундаментальные силы?

Это наша третья великая проблема.

ПРОБЛЕМА 3: Определить, могут или нет различные частицы и силы быть объединены в теорию, которая объясняет их все как проявление единственной, фундаментальной сущности.

Назовем эту проблему проблемой объединения частиц и сил, чтобы отличить ее от унификации законов, которую мы обсудили ранее.

Во-первых, эта проблема легко появилась. Первое предположение, как объединить гравитацию с электричеством и магнетизмом, было сделано в 1914, и с тех пор было предложено намного больше. Все они работают, пока вы забываете одну вещь, что природа является квантовомеханической. Если вы исключаете квантовую физику из картины, унифицирующие теории легко придумываются. Но если вы включаете квантовую теорию, проблема становится намного, намного более тяжелой. Поскольку гравитация является одной из четырех фундаментальных сил природы, мы должны решить проблему квантовой гравитации (то есть, проблему номер 1: как примирить ОТО и квантовую теорию) вместе и параллельно с проблемой унификации.

За последнее столетие наше физическое описание мира значительно упростилось. Раз уж речь идет о частицах, они проявляются только в двух видах: кварки и лептоны. Кварки являются составляющими протонов и нейтронов и многих частиц, которые мы аналогично им открыли. Класс лептонов охватывает все частицы, не состоящие из кварков, включая электроны и нейтрино. Обобщая, известный мир объясняется шестью видами кварков и шестью видами лептонов, которые взаимодействуют друг с другом посредством четырех сил (или, как их еще называют, взаимодействий): гравитации, электромагнетизма, и слабых и сильных ядерных взаимодействий.

Двенадцать частиц и четыре взаимодействия это все, что нам нужно, чтобы объяснить все что угодно в известном мире. Мы также очень хорошо понимаем основную физику этих частиц и сил. Это понимание выражено в терминах теории, которая применима для всех этих частиц и всех сил, исключая гравитацию. Она называется стандартной моделью физики элементарных частиц – или стандартной моделью, для краткости. Эта теория не имеет отмеченных ранее проблем с бесконечностями. Все, что мы хотим рассчитать в этой теории, мы можем рассчитать, и результаты выражаются в конечных числах. За более чем тридцать лет с момента формулирования стандартной модели многие предсказания этой теории были экспериментально проверены. В каждом и любом случае теория подтверждалась.

Стандартная модель была сформулирована в начале 1970х. За исключением открытия, что нейтрино имеют массу, она не требовала до сих пор корректировки. Так почему физики не стало после 1975? Что осталось сделать?

При всей ее полезности стандартная модель имеет большую проблему. Она имеет длинный список подгоночных констант. Когда мы устанавливаем законы теории, мы должны определить величины этих констант. Насколько мы знаем, могут быть использованы любые величины, поскольку теория математически состоятельна вне зависимости от того, какие величины мы в нее вставляем. Эти константы определяют свойства частиц. Некоторые говорят нам о массах кварков и лептонов, другие говорят нам о величине сил. У нас нет идей, почему эти числа имеют ту величину, какую имеют, мы просто определяем их через эксперименты, а затем подставляем числа в теорию. Если вы подумаете о стандартной модели как о калькуляторе, то константы будут вводимыми числами, такими, что может быть набор любых позиций, которые вам нравятся, каждый раз, когда программа запускается на выполнение.

Имеется около двадцати таких констант, и тот факт, что имеется так много свободно определяемых констант, которые должны быть подставлены в фундаментальную теорию, является жутким затруднением. Каждая константа представляет некоторый основополагающий факт, который мы игнорируем: а именно, физический механизм или основания, отвечающие за выбор константы в ее наблюдаемой величине.

Это наша четвертая большая проблема.

ПРОБЛЕМА 4: Объяснить, как в природе выбираются величины свободных констант в стандартной модели физики частиц.

Есть глубокая надежда, что правильная единая теория частиц и сил даст однозначный ответ на этот вопрос.

В 1900м Вильям Томсон (лорд Кельвин), влиятельный британский физик, лихо объявил, что физика закончилась, исключая два маленьких облачка на горизонте. Эти «облачка» оказались ключами, которые привели нас к квантовой теории и теории относительности. Сегодня, даже если мы празднуем включение всех известных явлений в стандартную модель плюс ОТО, мы тоже осознаем два облачка. Это темная материя и темная энергия.

Отдельно от проблемы соотношения гравитации с квантами мы думаем, что мы очень хорошо понимаем гравитацию. Предсказания ОТО находятся в согласии с наблюдениями с очень большой степенью точности. Наблюдения по этим вопросам простираются от падающих тел и света на Земле, до детализированного движения планет и их лун, до масштабов галактик и скоплений галактик. Совершенно экзотические явления – вроде гравитационного линзирования, эффекта искривления пространства материей – сегодня настолько хорошо поняты, что используются для измерения распределений масс в скоплениях галактик.

Во многих случаях – когда скорости малы по сравнению со световой и массы не слишком компактны – ньютоновские законы гравитации и движения обеспечивают превосходное приближение к предсказаниям ОТО. Определенно, они должны нам помогать предсказывать, как массы звезд и другой материи в соответствующей галактике влияют на движение отдельной звезды. Но они не предсказывают. Гравитационный закон Ньютона говорит, что ускорение любого объекта при его обращении относительно другого пропорционально массе тела, вокруг которого он обращается. Чем тяжелее звезда, тем быстрее орбитальное движение планеты. Это означает, что если вокруг двух звезд обращаются планеты, и планеты находятся на одинаковых расстояниях от своих звезд, планета, обращающаяся вокруг более массивной звезды, будет двигаться быстрее. Таким образом, если вы знаете скорость тела на орбите вокруг звезды и его дистанцию до звезды, вы можете измерить массу этой звезды. То же самое сохраняется для звезд, обращающихся вокруг центра галактики; путем измерения орбитальной скорости звезд вы можете измерить распределение массы в этой галактике.

На протяжении последних десятилетий астрономы проделали очень простой эксперимент, в котором они измерили распределение масс в галактике двумя различными способами и сравнили результаты. Во-первых, они измерили массу через наблюдение орбитальных скоростей звезд; во-вторых, они провели более прямое измерение масс, оценив все звезды, газ и пыль, которые они могли видеть в галактике. Идея заключалась в сравнении двух измерений. Каждое должно было дать нам полную массу галактики и ее распределение. Полагая, что мы хорошо понимаем гравитацию, и что все известные формы материи испускают свет, два метода должны согласоваться.

Они не согласуются. Астрономы сравнили два метода измерения массы более чем в ста галактиках. Почти во всех случаях два измерения не совпадали, причем не на малую величину, а на фактор порядка 10. Более того, ошибка всегда была в одном направлении: почти всегда больше массы требовалось для объяснения наблюдаемого движения звезд, чем это следовало из прямой оценки всех звезд, газа и пыли.

Имеются только два объяснения этому. Или второй метод неверен из-за того, что в галактике намного больше массы, чем это видно, или ньютоновские законы не могут предсказать точное движение звезд в гравитационном поле их галактики.

Все формы материи, которые мы знаем, испускают свет или непосредственно как звездный свет, или отраженный от планет или межзвездных камней, газа и пыли. Так что, если есть нечто, что мы не видим, оно должно быть некоторой новой формой материи, которая не испускает и не отражает света. А поскольку расхождение столь велико, подавляющая часть материи в галактиках должна быть в этой новой форме.

Сегодня большинство астрономов и физиков уверены, что это и есть правильный ответ на загадку. Имеется потерянная материя, которая на самом деле здесь, но которую мы не видим. Эта мистическая потерянная материя названа темной материей. Гипотеза темной материи более предпочтительна, поскольку единственная другая возможность, – что мы ошибаемся относительно законов Ньютона и их обобщения в ОТО, – слишком устрашающая, чтобы быть рассмотренной.

Вещи стали даже более мистическими. Недавно мы открыли, что когда мы проводим наблюдения на еще больших масштабах, соответствующих миллиардам световых лет, уравнения ОТО не удовлетворяются, даже когда добавлена темная материя. Расширение вселенной, запущенное Большим Взрывом около 13,7 миллиардов лет назад, оказывается ускоряющимся, тогда как с учетом наблюдаемой материи плюс рассчитанной оценки темной материи оно должно быть, напротив, – тормозящимся.

И опять тут возможны два объяснения. ОТО может просто быть неверна. Она была точно проверена только в пределах нашей солнечной системы и соседних систем в нашей собственной галактике. Возможно, когда мы переходим на масштабы, сравнимые с размерами целой вселенной, ОТО просто больше не применима.

Или имеется новая форма материи – или энергии (напомним знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2, показывающее эквивалентность энергии и массы), – которая становится существенной на очень больших масштабах. Это означает, что эта новая форма энергии проявляется только в расширении вселенной. Чтобы делать это, она не может скапливаться вокруг галактик или даже скоплений галактик. Эта странная новая энергия, которую мы постулировали, чтобы соответствовать данным опытов, названа темной энергией.

Большинство видов материи находится под давлением, но темная энергия находится под растяжением – это означает, что она стягивает вещи вместе вместо того, чтобы расталкивать их в стороны. По этой причине растяжение временами называют отрицательным давлением. Несмотря на факт, что темная энергия находится под растяжением, она заставляет вселенную расширяться быстрее. Если вы озадачены этим, я вас поддерживаю. Можно подумать, что газ с отрицательным давлением будет действовать подобно резиновой ленте, связывающей галактики и замедляющей расширение. Но оказывается, что когда отрицательное давление достаточно отрицательно, в ОТО оно имеет противоположный эффект. Это вызывает расширение вселенной с ускорением.

Недавние измерения выявили вселенную, которая большей частью состоит из неизвестного. Полные 70 процентов плотности материи оказывается в форме темной энергии. Двадцать шесть процентов есть темная материя. И только 4 процента обычная материя. Так что менее 1 части из 20 построено из материи, которую мы наблюдаем экспериментально или описываем в стандартной модели физики частиц. Об оставшихся 96 процентах, за исключением только что отмеченных их свойств, мы не знаем абсолютно ничего.

В последние десять лет космологические измерения стали намного более точными. Частично это проявление эффекта Мура, который устанавливает, что каждые восемнадцать месяцев или около того скорость операций компьютерных чипов удваивается. Все новые эксперименты используют микрочипы или на спутниках, или на телескопах земного базирования, так что, поскольку чипы становятся лучше, постольку лучше становятся и наблюдения. Сегодня мы много знаем об основных характеристиках вселенной, таких как полная плотность материи и темп расширения. Теперь имеется стандартная модель космологии, точно так же, как имеется стандартная модель физики элементарных частиц. Почти подобно своему двойнику стандартная модель космологии имеет список свободных подгоночных констант – в этом случае около пятнадцати. Они обозначают, среди других вещей, плотность различных видов материи и энергии и темп расширения. Никто не знает ничего о том, почему эти константы имеют именно те значения, какие имеют. Как и в физике частиц, величины констант берутся из наблюдений, но еще не объясняются ни одной теорией.

Эти космологические головоломки составляют пятую великую проблему.

ПРОБЛЕМА 5: Объяснить темную материю и темную энергию. Или, если они не существуют, определить, как и почему гравитация модифицируется на больших масштабах. Более общо, объяснить, почему константы стандартной модели космологии, включая темную энергию, имеют те величины, которые имеют.

 

Эти пять проблем представляют границы современного знания. Они являются тем, что бодрит физиков-теоретиков даже по ночам. Все вместе они двигают большую часть текущей работы на переднем крае теоретической физики.

Любая теория, которая претендует на звание фундаментальной теории природы, должна ответить на каждую из них. Одна из целей настоящей книги заключается в оценке, насколько хорошо недавние физические теории, такие как теория струн, преуспели в достижении этой цели. Но перед тем, как мы сделаем это, нам необходимо посмотреть на более ранние попытки унификации. Мы должны многому научиться из успехов, – а также и из неудач.

2. Красивый миф


Самой заветной целью в физике, как в плохой романтической новелле, является объединение. Свести вместе две вещи, которые ранее понимались как различные, и осознать их как аспекты единой сущности, – когда мы можем сделать это, – это наиболее волнующая вещь в науке.

Единственный здравый отклик на предложенное объединение есть удивление. Солнце является только еще одной звездой – а звезды являются только солнцами, которые удалены очень далеко! Представьте себе реакцию кузнеца или актера конца шестнадцатого века на слух об этой дикой идее Джордано Бруно. Что могло бы быть более абсурдным, чем объединять Солнце со звездами? Люди были научены, что Солнце было великим огнем, созданным Богом, чтобы обогревать Землю, тогда как звезды были отверстиями в небесной сфере, которая преграждала путь свету небес. Объединение немедленно низвергает ваш мир с высот вниз. То, что вы использовали для веры, становится невозможным. Если звезды являются солнцами, вселенная оказывается безмерно больше, чем вы думали! Небеса не могут быть прямо над головой!

И даже более важно, что новое предложение об объединении приносит с собой ранее невообразимые гипотезы. Если звезды являются другими солнцами, должны быть планеты вокруг них, на которых живут другие люди! Следствия часто распространяются за пределы науки. Если есть другие планеты с другими людьми на них, тогда или Иисус приходил ко всем им, а в этом случае его приход к Человеку был не уникальным событием, или все те люди потеряли возможность спасения! Не удивительно, что католическая церковь сожгла Бруно живьем.

Великие объединения стали основополагающими идеями, на которых воздвиглись целые новые науки. Иногда следствия настолько угрожали нашему мировоззрению, что удивление быстро сменялось недоверием. Перед Дарвином каждый биологический вид находился в своей собственной вечной категории. Каждый вид был индивидуально создан Богом. Но эволюция при помощи естественного отбора означает, что все виды имеют общего предка. Они объединены в одну великую семью. Биология перед Дарвином и биология после него вряд ли являются одной и той же наукой.

Такая мощь новых прозрений быстро приводит к новым открытиям. Если все живые существа имеют общего предка, они должны быть устроены сходным образом! В самом деле, мы были сделаны из одинакового вещества, поскольку все живое оказывается состоящим из клеток. Растения, животные, грибки и бактерии кажутся весьма отличающимися друг от друга, но все они являются просто собраниями клеток, упорядоченных различными способами. Химические процессы, которые создают и поддерживают эти клетки, одни и те же во всей империи жизни.

Если предложения объединения являются столь шокирующими для нашего первоначального образа мыслей, как получается, что люди приходят к уверенности в них? Это во многих отношениях главный вопрос нашей истории, о нем история нескольких предложенных объединений, некоторые из которых стали сильной верой многих ученых. Но ни одно из них не достигло признания среди всех ученых. Как следствие, мы имеем активные разногласия и, временами, эмоциональные споры, результат попытки радикального изменения мировоззрений. Итак, когда кто-нибудь предлагает новое объединение, как мы можем сказать, является ли оно верным или нет?

Как вы можете представить, не все предложения объединения оказываются верными. В одно время химики предположили, что теплота является субстанцией, подобной материи. Она была названа флогистоном. Эта концепция объединяла теплоту и материю. Но она была ложной. Правильное предложение по объединению теплоты и материи в том, что теплота есть энергия хаотического движения атомов. Но, хотя атомизм был предложен древними индусами и греками, потребовалось время до конца девятнадцатого века, прежде чем теория теплоты как хаотического движения атомов была должным образом разработана.

В истории физики было много предложений объединяющих теорий, которые оказывались неправильными. Одной из знаменитых была идея, что свет и звук, по существу, являются одной и той же вещью: Они оба мыслились как колебания в материи. Поскольку звук есть колебания воздуха, было предположено, что свет является колебаниями нового вида материи, названного эфиром. Точно так же, как пространство вокруг нас заполнено воздухом, вселенная заполнена эфиром. Эйнштейн похоронил эту специфическую идею, предложив свой собственный вариант объединения.

Все важные идеи, которые теоретики изучают последние тридцать лет – такие как теория струн, суперсимметрия, высшие размерности, петли и другое – являются предложениями объединения. Как нам сказать, какие из них являются правильными, а какие нет?

Я уже отмечал два свойства, элементы которых содержатся в успешных объединениях. Первое, удивительность, не может быть недооценено. Если что-то не является удивительным, то идея или не интересна, или кое-что мы знали и раньше. Второе, следствия должны быть драматическими: Объединение должно быстро приводить к новым прозрениям и гипотезам, становясь двигателем, который форсирует прогресс в понимании.

Но есть и третий фактор, который побивает оба первых. Хорошая унифицирующая теория должна предлагать предсказания, которые никто и не думал сделать ранее. Она может даже предложить новые виды экспериментов, которые имеют смысл только в свете новой теории. И самое важное из всего, предсказания должны быть подтверждены экспериментом.

Эти три критерия – удивительность, новое прозрение и новые предсказания, подтвержденные экспериментом – являются тем, что мы будем искать, когда мы подойдем к оценке перспектив современных попыток объединения.

Физики, кажется, ощущают глубокую потребность в объединении, и некоторые говорят так, как будто любой шаг в направлении дальнейшей унификации должен быть шагом в направлении истины. Но жизнь не столь проста. В любой момент времени может существовать более чем один возможный путь к объединению известных нам вещей – пути, которые ведут науку в различных направлениях. В шестнадцатом столетии на столе было два очень отличающихся предложения по объединению. Это была старая теория Аристотеля и Птолемея, в соответствии с которой планеты были объединены с Солнцем и Луной как части небесных сфер. Но было и новое предложение Коперника, который объединил планеты с Землей. Каждый подход имел великие последствия для науки. Но, по большей части, только один мог бы быть верным.

Мы можем видеть здесь цену выбора ложного объединения. Если Земля является центром вселенной, это имеет потрясающие последствия для нашего понимания движения. В небе планеты изменяют направление, поскольку они прикреплены к кругам, чья природа заключается в вечном вращении. Этого никогда не происходит с вещами на Земле: все, что мы толкнем или бросим, быстро приходит в покой. Это естественное состояние вещей, которые не прикреплены к космическим кругам. Таким образом, во вселенной Птолемея и Аристотеля имеется большое отличие между понятиями быть в движении и быть в покое.

В их мире имеется также большое отличие между небесами и Землей – вещи на Земле следуют законам, отличным от законов, которые мы получаем на небе. Птолемей предположил, что определенные тела в небе – Солнце, Луна и пять известных ему планет – двигаются по окружностям, которые сами двигаются по окружностям. Эти так называемые эпициклы давали возможность предсказывать затмения и движения планет – предсказания, которые имели точность в 1 часть на 1000, таким образом показывая плодотворность объединения Солнца, Луны и планет. Аристотель дал естественное объяснение для нахождения Земли в центре вселенной: она состоит из земного вещества, чья природа заключается не в движении по кругам, а в стремлении к центру.

Для того, кто получил образование в этой точке зрения и привык к тому, как мощно она объясняет то, что мы видим вокруг нас, предположение Коперника от том, что планеты должны рассматриваться единым с Землей, но не с Солнцем, образом, должно быть крайне выбивающим из колеи. Если Земля является планетой, тогда она и все на ней находится в непрерывном движении. Как это может быть? Это нарушало закон Аристотеля, что все, что не находится на небесных кругах, должно приходить в покой. Это также нарушало опыт, по которому, если Земля движется, то как мы можем не ощущать этого?

Ответ на эту загадку был величайшим среди всех объединением в науке: объединением движения и покоя. Оно было предложено Галилеем и выражено в первом законе движения Ньютона, а также названо принципом инерции: Тело в покое или в равномерном движении остается в этом состоянии покоя или равномерного движения, пока оно не возмущается силами.

Под равномерным движением Ньютон понимал движение с постоянной скоростью в одном направлении. Быть в покое становится только частным случаем равномерного движения – это просто движение с нулевой скоростью.

Как это может быть, что нет различия между движением и покоем? Главное тут осознать, что факт, двигается тело или нет, не имеет абсолютного смысла. Движение определяется только по отношению к наблюдателю, который сам может двигаться или нет. Если вы двигаетесь за мной с неизменным темпом, то чашка кофе, которую я воспринимаю покоящейся на моем столе, двигается относительно вас.

Но не может ли наблюдатель сказать, двигается он или нет? По Аристотелю ответ был, очевидно, да. Галилей и Ньютон настаивали на ответе: нет. Если Земля движется, а мы этого не ощущаем, тогда должно быть, что наблюдатели, двигаясь с постоянной скоростью, не ощущают никаких эффектов от своего движения. Поэтому мы не можем сказать, покоимся мы или нет, а движение должно определяться исключительно как относительная величина.

Тут имеется важное предостережение: мы говорим о равномерном движении – движении по прямой линии. (Хотя Земля, конечно, не двигается по прямой линии, отклонения от нее слишком малы, чтобы ощущаться непосредственно.) Когда мы изменяем скорость или направление нашего движения, мы это чувствуем. Такие изменения есть то, что мы называем ускорением, и ускорение может иметь абсолютный смысл.

Галилей и Ньютон достигли здесь тонкого и красивого интеллектуального триумфа. Для других было очевидно, что движение и покой являются полностью разными явлениями, легко различимыми. Но принцип инерции объединяет их. Чтобы объяснить, как получается, что они кажутся различными, Галилей придумал принцип относительности. Он говорит нам, что различие между движением и нахождением в покое имеет смысл только по отношению к наблюдателю. Поскольку разные наблюдатели двигаются по-разному, они по-разному различают, какие объекты двигаются, а какие покоятся. Так что факт, что каждый наблюдатель делает различие, сохраняется, как и должно быть. Таким образом, движется ли нечто или нет, перестало быть феноменом, который требует объяснения. Для Аристотеля, если нечто движется, должна быть действующая на него сила. Для Ньютона, если движение однородное, оно сохраняется навсегда; не нужна сила, чтобы объяснить его.

Это является мощной стратегией, которая повторяется в более поздних теориях. Один из способов объединить вещи, которые проявляются как различные, заключается в том, чтобы показать, что видимые различия происходят из-за различия в точке зрения наблюдателей. Различие, которое ранее рассматривалось как абсолютное, становится относительным. Этот вид объединения бывает нечасто и представляет собой высшую форму научного творчества. Когда он достигнут, он радикально меняет наш взгляд на мир.

Предположения, что две, очевидно, очень разные вещи являются одной и той же, часто требуют очень много объяснений. Только иногда вы можете сформировать объяснение видимого отличия как следствие различных точек зрения. В иных случаях вещи, которые вы выбрали для объединения, являются поистине разными. Тогда необходимость объяснения, как вещи, которые кажутся различными, на самом деле являются в некотором смысле одним и тем же, может причинить теоретику много неприятностей.

Посмотрим на последствия предположения Бруно, что звезды на самом деле подобны нашему Солнцу. Звезды выглядят намного более тусклыми, чем Солнце. Если они, тем не менее, подобны Солнцу, тогда они должны быть очень далеко. Расстояния, которые он привлек, были намного, намного больше, чем в то время мыслилась вселенная. Так что предложение Бруно кажется, на первый взгляд, абсурдным.

Конечно, это была удобная возможность сделать новое предсказание: если бы вы могли измерить расстояние до звезд, вы нашли бы их, фактически, намного более удаленными, чем планеты. Если бы это было возможно во времена Бруно, он мог бы спастись от огня. Но это было за столетия до того времени, когда расстояние до звезд смогло быть измерено. С практической точки зрения то, что сделал Бруно, было формулирование утверждения, которое было не проверяемо при заданной технологии того времени. Предположение Бруно легко устанавливало звезды на таком расстоянии, что никто не мог бы проверить его идею.

Так что иногда необходимость объяснить, как вещи объединяются, заставляет вас постулировать новые гипотезы, которые вы просто не можете проверить. Это, как мы видели, не означает, что вы ошибаетесь, но это означает, что основатели новых унификаций могут легко оказаться на зыбком грунте.

На деле может быть еще хуже. Такие гипотезы имеют обыкновение зацепляться друг за друга. Фактически, Копернику нужно было, чтобы звезды были очень удаленными. Если бы звезды были так близко, как верил Аристотель, вы могли бы опровергнуть движение Земли – поскольку, если Земля движется, наблюдаемые положения звезд друг относительно друга менялись бы. Чтобы объяснить, почему этот эффект не виден, Коперник и его последователи поверили, что звезды очень далеко. (Конечно, мы знаем теперь, что звезды тоже двигаются, но они находятся на таких чудовищных расстояниях, что их положения в нашем небе изменяются экстремально медленно.)

Но если звезды столь далеки, как мы можем их видеть? Они должны быть очень яркими, вероятно, столь же яркими, как и Солнце. Поэтому предположение Бруно о вселенной, заполненной бесконечно большим числом звезд, естественно подходит к предположению Коперника, что Земля движется как планета.

Мы видим здесь, что различные предложения по унификации часто идут вместе. Предположение, что звезды объединяются с Солнцем, идет вместе с предположением, что планеты объединяются с Землей, и оба этих предположения требуют, чтобы движение и покой были объединены.

Эти идеи, новые в шестнадцатом столетии, противоположны другой группе идей. Предположение Птолемея, что планеты объединяются с Солнцем и Луной и что все они двигаются по эпициклам, шло рука об руку с теорией движения Аристотеля, которая объединяла все известные явления на Земле.

Итак, мы достигли двух групп идей, каждая из которых содержит несколько предположений по унификации. Следовательно, на кону часто оказывается целая группа идей, в которых различные вещи унифицируются на различных уровнях. Перед тем, как споры разрешаются, имеются хорошие основания для уверенности с каждой стороны. Каждая сторона может поддерживаться наблюдениями. Иногда даже один и тот же эксперимент может быть интерпретирован как доказательство конкурирующих теорий унификации.

Чтобы увидеть, как это может происходить, рассмотрим мяч, падающий с вершины башни. Что происходит? Он падает на землю и приземляется у основания башни. Он не улетает в западном направлении. Ну, вы могли бы сказать, что Коперник и его последователи, очевидно, ошиблись, опыт доказывает, что Земля не вращается вокруг своей оси. Если бы Земля вращалась, мяч приземлился бы весьма далеко от основания башни.

Но Галилей и Ньютон могли бы также заявить, что падение мяча доказывает их теорию. Принцип инерции говорит нам, что если мяч движется в западном направлении вместе с Землей, когда он сброшен, он будет продолжать двигаться на запад и в процессе падения. Но мяч двигается на запад точно с той же скоростью, что и башня, так что он падает к основанию башни. То же самое доказательство, которое аристотелев философ мог бы использовать для подтверждения, что Галилей ошибся, принимается Галилеем как доказательство, что его теория корректна.

Как же нам, тем не менее, различить, какое предложенное объединение правильно, а какое ложно? В некотором смысле, тут имеется преобладание доказательства. Одна гипотеза оказывается настолько более плодотворна, чем другая, что рациональная личность не будет иметь выбора, кроме как согласиться, что первая доказана. Что касается ньютоновской революции, то тут, по существу, было реальное доказательство из наблюдения, что Земля движется относительно звезд. Но перед тем, как это произошло, точность ньютоновских законов была доказана в таком большом количестве инстанций, что тут не могло быть поворота назад.

Однако, в середине научной революции часто имеются рациональные основания, оказывающие поддержку соперничающим гипотезам. Мы находимся сейчас в таком периоде, и мы будем исследовать в последующих главах конфликтующие утверждения по объединению. Я сделаю все от меня зависящее, чтобы объяснить аргументы, которые поддерживают различные стороны, пока буду показывать, почему ученые еще достигают консенсуса.

Конечно, нам надлежит проявлять осторожность. Не все доказательства, высказанные в поддержку взгляда, надежно обоснованы. Иногда утверждения, придуманные в поддержку теории, испытывающей затруднения, являются только ее усовершенствованиями. Я недавно встретился с энергичной группой людей, стоящих в проходе на рейс из Лондона в Торонто. Они поздоровались и спросили меня, откуда я прибыл, и когда я сказал им, что я возвращаюсь с космологической конференции, они немедленно спросили меня про мой взгляд на эволюцию. "О, нет," – подумал я, тогда надо продолжать говорить им, что естественный отбор доказал свою правильность вне всяких сомнений. Они представились как члены Библейского колледжа, возвращающиеся после миссии в Африке, одна из целей которой, как оказалось, заключалась в проверке догматов креационизма. Так как они хотели втянуть меня в дискуссию, я предостерег их, что они проиграют, так как я знаю почти все доказательства. "Нет," – настаивали они, – «вы не знаете все факты.» Так что я пошел на это. Когда я сказал: "Но вы, конечно, согласитесь с фактом, что мы имеем ископаемые останки многих созданий, которые больше не живут," – они ответили: «Нет!»

«Почему вы полагаете, что нет? Как насчет динозавров?»

«Динозавры все еще живы и бродят по земле!»

«Это нелепо! Где?»

«В Африке.»

«В Африке? Африка полна людей. Динозавры на самом деле громадные. Как получается, что никто их не видит?»

«Они живут глубоко в джунглях.»

«Кто-то все равно должен был их видеть. Вы утверждаете, что знаете кого-нибудь, кто их видел?»

«Пигмеи говорили нам, что они видят их каждый раз все время. Мы смотрели, но мы не видели ни одного, но мы видели царапины, которые они сделали, на высоте от восемнадцати до двадцати футов на стволах деревьев.»

«Тогда вы согласитесь, что это гигантские животные. И ископаемые останки свидетельствуют, что они жили большими стадами. Как это могло бы быть, что никто, кроме пигмеев, их не видел?»

«Это просто. Они проводят большую часть своего времени в спячке в пещерах.»

«В джунглях? В джунглях есть пещеры?»

«Конечно, есть, почему нет?»

«Достаточно большие пещеры, чтобы туда поместился гигантский динозавр? Если пещеры столь велики, их должно быть легко найти, и вы могли бы заглянуть внутрь и увидеть их спящими.»

«Чтобы защитить себя во время своей спячки, динозавры закрывают входы своих пещер навозом, так что никто не может сказать, что они здесь.»

«Как они так хорошо закрывают свои пещеры, что их нельзя увидеть? Они используют свои лапы или, возможно, пихают навоз своим носом?»

В этом месте креационисты согласились, что они не знают, но они сказали мне, что «библейские биологи» из их школы находятся сейчас в джунглях в поисках динозавров.

"Будьте любезны, дайте мне знать, если они обнаружат хоть одного живого," – сказал я и вернулся на свое сидение.

Я это не выдумал, и я рассказал это не только для вашего развлечения. Это иллюстрирует, что рациональность не всегда является простым упражнением. Обычно рациональным является не верить в теорию, которая предсказывает нечто, что никто никогда не видел. Но иногда имеются веские основания для чего-то быть никогда не наблюдаемым. Как никак, если там есть динозавры, они должны где-то прятаться. Почему не в пещерах в джунглях Африки?

Это может показаться глупым, но физики, занимающиеся частицами, не один раз чувствовали необходимость придумать невидимые частицы, такие как нейтрино, чтобы придать смысл определенным теоретическим или математическим результатам. Чтобы объяснить, почему их тяжело зарегистрировать, они вынуждены были сделать нейтрино очень слабо взаимодействующими. В этом случае это была правильная стратегия, через много лет кто-то оказался в состоянии разработать эксперимент, который нашел нейтрино. И они взаимодействовали очень слабо.

Итак, иногда является рациональным не отбрасывать прочь хорошую теорию, если она предсказывает вещи, которые не могут наблюдаться. Иногда гипотезы, которые вы вынуждены были придумать, оказываются правильными. Придумывая такие специальные (ad hoc) гипотезы, вы не только можете сохранить правдоподобность идеи, но также иногда и предсказать новые явления. Но с некоторого момента вы начинаете перегибать палку. Обитающие в пещерах динозавры, вероятно, квалифицируются именно так. Когда вы проходите точку, где когда-то хорошая идея становится ничего не стоящей, неприятности первыми являются предметом критики. Это определенно тот самый случай, когда хорошо подготовленные, умные люди не соглашаются. Но, в конечном счете, достигается точка, где имеется такой перевес доказательств, что ни одна рациональная, ясно мыслящая персона не будет думать об идее, как о правдоподобной.

Одним из способов оценить, достигли ли вы этой точки, служит взгляд на однозначность. Во время научной революции в каждый момент времени на столе оказываются часто несколько предложений по унификации, угрожая повести науку в несовместимых направлениях. Это нормально, и в середине революции нет необходимости в рациональных основаниях, чтобы выбрать одно среди других. В такое время даже очень умные люди, которые выбирают между соревнующимися взглядами, слишком скоро и часто ошибутся.

Но одно предложение по объединению может завершиться объяснением намного большего, чем остальные, и обычно это простейшее предложение. В этот момент, когда отдельное предложение чрезвычайно превосходит остальные с точки зрения генерирования новых прозрений, согласия с экспериментом, объяснительной силы и простоты, это принимается за видимость однозначности. Мы говорим, что предложение попало в круг истины.

Чтобы увидеть, как это может произойти, рассмотрим три унификации, предложенные одной персоной, немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630). На протяжении жизни Кеплера его навязчивой идеей были планеты. Поскольку он верил, что Земля является планетой, он знал их шесть, от Меркурия до Сатурна. Их движения по небу наблюдались тысячи лет, так что было весьма много данных. Самые точные данные пришли от датского астронома Тихо Браге. Кеплер, в конце концов, пришел работать к Тихо Браге, чтобы овладеть его данными (и после смерти Браге он своровал их, но это другая история).

Каждая планетная орбита имеет радиус. Каждая планета также имеет орбитальную скорость. Надо добавить, что скорость не однородна, планеты ускоряются и замедляются, когда они двигаются вокруг Солнца по своим орбитам. Все эти числа кажутся случайными. Кеплер всю свою жизнь добивался принципа, который мог бы объединить движения планет, и, сделав это, объяснить данные по планетарным орбитам.

Сначала Кеплер занялся унификацией планет, лежащей на линии античной традиции, по которой космологическая теория должна использовать только простейшие фигуры. Одна из причин, по которой греки верили в круги, двигающиеся по кругам, заключается в том, что круг есть простейшая, а потому самая прекрасная из замкнутых фигур. Кеплер исследовал не менее прекрасные геометрические фигуры, которые могли объяснить размеры орбит планет. И он нашел очень элегантную идею, проиллюстрированную на Рис.1.

 

Рисунок 1. Первая теория Солнечной системы Кеплера, основанная на Платоновых телах.

 

Примем орбиту Земли как данную. Тогда необходимо объяснить пять чисел: пять отношений диаметров орбит других пяти планет к диаметру орбиты Земли. Если они могут быть объяснены, должна существовать некоторая красивая геометрическая конструкция, которая дает в точности эти пять чисел. Не больше и не меньше. Так что же, проблема в геометрии, для которой имеются точно пять ответов?

Да. Куб является совершенным видом тела, для которого каждая сторона такая же, как и любая другая, и каждое ребро имеет ту же длину, что и все остальные ребра. Такие тела называются Платоновыми телами. Сколько их? Точно пять: кроме куба, еще тетраэдр, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр.

Кеплеру долго не удавалось сделать ошеломляющее открытие. Впишем орбиту Земли в сферу. Опишем додекаэдр вокруг сферы. Опишем сферу вокруг него. Орбита Марса располагается на этой сфере. Опишем тетраэдр вокруг этой сферы и следующую сферу вокруг тетраэдра. Орбита Юпитера располагается на этой сфере. Вокруг орбиты Юпитера располагается куб, вне которого летает Сатурн. Внутри земной орбиты Кеплер расположил икосаэдр, вокруг которого вращается Венера, а внутри венерианской орбиты расположился додекаэдр, для Меркурия.

Эта объединяющая теория объясняла диаметры орбит планет, что ни одна теория не делала раньше. Это было математически красиво. Так почему в это не поверили? В той же степени, в какой теория была неотразима, она никуда не привела. На ее основе не было предсказано никаких новых явлений. Она даже не привела к пониманию орбитальных скоростей планет. Идея была слишком статической; она объединяла, но не приносила науке ничего интересного.

Кеплер думал об этом долгое время. Поскольку диаметры орбит были объяснены, ему нужно было только объяснить скорости различных планет. Наконец он предположил, что когда планеты путешествуют, их «пение» и частоты нот пропорциональны их скоростям. Высоты пения различных планет, когда они путешествуют по своим орбитам, составляют гармонию шести голосов, которые он назвал гармонией сфер.

Эта идея также имела античные корни, возвращаясь к открытию Пифагора, что корни музыкальной гармонии находятся в отношениях чисел. Но она страдала от очевидной проблемы. Эта идея неоднозначна: имеется много красивых согласований шести голосов. Даже хуже, оказалось, что есть больше, чем шесть планет. И Галилей, современник Кеплера, открыл четыре луны, вращающихся вокруг Юпитера. Так что была еще и другая система орбит в небе. Если теория Кеплера была верна, она должна была быть применима и к вновь открытой системе. Но она была не применима.

Отдельно от этих двух предположений о математической структуре космоса Кеплер сделал три открытия, которые привели к реальному прогрессу в науке. Это были три закона, благодаря которым он сегодня широко известен, предложенные после многолетнего изнурительного кропотливого анализа данных, которые он украл у Тихо Браге. Они были не столь красивы, как другие предложения Кеплера, но они работали. Более того, один из них совершал нечто, чего Кеплер не смог бы сделать иным образом, а именно, было найдено соотношение между скоростями и диаметрами орбит. Три закона Кеплера не только согласуются с данными по всем шести планетам, они согласуются и с наблюдениями спутников Юпитера.

Кеплер открыл эти три закона потому, что он принял унификацию Коперника в свои логические заключения. Коперник сказал, что Солнце находится в центре (или, на самом деле, вблизи центра) вселенной, но в его теории планеты двигались бы тем же образом, было бы Солнце там или нет. Его единственной ролью было освещение сцены. Успех теории Коперника привел Кеплера к вопросу, а не может ли нахождение Солнца вблизи центра каждой планетной орбиты указывать на реальное совпадение центров. И не может ли Солнце, вместо этого, играть некоторую роль в определении планетных орбит. Может ли Солнце некоторым образом оказывать силу на планеты, и может ли эта сила быть объяснением их движения?

Чтобы ответить на эти вопросы, Кеплер выяснил роль точного положения Солнца в каждой орбите. Его первый большой прорыв заключался в открытии, что орбиты не являются кругами, они являются эллипсами. И у Солнца определенная роль: оно находится точно в фокусе эллипса каждой орбиты. Это был первый закон Кеплера. Вскоре после этого он открыл свой второй закон, который заключался в том, что скорости планет на их орбитах возрастают или уменьшаются, когда планеты двигаются ближе к Солнцу или дальше от него. Позднее он открыл третий закон, который управляет отношениями скоростей планет.

Эти законы отметили некоторый глубокий факт унификации солнечной системы, поскольку законы применимы ко всем планетам. Награда заключалась в том, что впервые мы имели теорию, которая могла делать предсказания. Предположим, открыта новая планета. Можем ли мы предсказать, какой будет ее орбита? До Кеплера никто бы не смог. Но, имея законы Кеплера, все, что нам нужно, это два наблюдения положения планеты, и мы сможем предсказать ее орбиту.

Эти открытия вымостили дорогу Ньютону. Великим прозрением Ньютона было увидеть, что сила, которую Солнце оказывает на планеты, является той же самой, как и сила гравитации, которая удерживает нас на Земле, и потому объединить физику небес с физикой на Земле.

Конечно, идея силы, испускаемой от Солнца на планеты, была абсурдной для большинства ученых того времени. Они верили, что пространство пустое, там нет носителя, который мог бы переправлять такую силу. Более того, не было никаких видимых ее проявлений – никакой руки, протянувшейся от Солнца до каждой планеты, – а невидимое ничто не может быть реальным.

Все это хорошие уроки для будущих объединителей/унификаторов. Первый в том, что математическая красота может ввести в заблуждение. Простые наблюдения, сделанные на основании данных, часто более важны. Другой урок в том, что корректные унификации имеют следствия для явлений, о которых не подозревали в момент, когда унификация придумывалась, как в случае с применением законов Кеплера к лунам Юпитера. Правильные объединения также поднимают вопросы, которые могут показаться абсурдными в тот момент, но которые приводят к дальнейшим унификациям, как это было с постулатом Кеплера о силе, действующей от Солнца на планеты.

Самое важное, мы увидели, что реальная революция часто требует нескольких новых предложений по унификации, идущих вместе, чтобы поддерживать друг друга. В революции Ньютона было несколько предложенных унификаций, которые одновременно одержали триумф: объединение Земли с планетами, объединение Солнца со звездами, объединение покоя и равномерного движения и объединение гравитационной силы на Земле с силой, путем которой Солнце влияет на движение планет. Проще говоря, ни одна из этих идей не могла бы уцелеть, но вместе они побили своих противников. В результате получилась революция, которая трансформировала каждый аспект нашего понимания природы.

 

В истории физики была одна унификация, которая больше других может служить моделью того, что физики пытаются сделать в последние тридцать лет. Это объединение электричества и магнетизма, полученное Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860е. Максвелл использовал мощную идею, именуемую полем, которая была придумана британским физиком Майклом Фарадеем в 1840е, чтобы объяснить, как сила может передаваться через пустое пространство от одного тела к другому. Идея в том, что поле есть величина, подобная числу, которое живет в каждой точке пространства. Когда вы движетесь сквозь пространство, величина поля изменяется непрерывно. Величина поля в каждой точке также эволюционирует во времени. Теория дает нам законы, которые говорят, как поле изменяется, когда мы движемся в пространстве и через время. Эти законы говорят нам, что величина поля в отдельной точке также подвержена влиянию поля в соседних точках. Поле в точке может также подвергаться влиянию материального тела в той же точке. Таким образом, поле может переносить силу от одного тела к другому. Тут не требуется верить в призрачное действие на расстоянии.

Одно из полей, которые изучал Фарадей, было электрическое поле. Это не число, но вектор, который мы можем изобразить как стрелку и который может изменять свою длину и направление. Представим такую стрелку в каждой точке пространства. Представим, что концы стрелок в близких точках соединены друг с другом резиновыми лентами. Если я потяну за одну, лента потянет и соседнюю. Стрелки также подвергаются влиянию электрических зарядов. Эффект влияния в том, что стрелки упорядочиваются так, что они подходят к близлежащим отрицательным зарядам и отходят от близлежащих положительных зарядов.

Фарадей также изучал магнетизм. Он ввел другое поле, другую коллекцию стрелок, которые он назвал магнитным полем; эти стрелки предпочитают указывать на полюса магнитов (см. Рис.2).

 

Рисунок 2. Силовые линии, сопровождающие магнитное поле, возникающее от стержневого магнита.

 

Фарадей записал простые законы для описания того, как стрелки электрического и магнитного полей изменяются под действием близких зарядов и магнитных полюсов, а также под действием стрелок близких полей. Он и другие проверили законы и нашли, что они дают предсказания, которые согласуются с экспериментом.

Среди открытий того времени было явление, которое смешивало электрические и магнитные эффекты. Например, движущийся по кругу заряд возбуждает магнитные поля. Максвелл осознал, что эти открытия указывают на объединение электричества и магнетизма. Чтобы полностью объединить их, он изменил уравнения. Когда он сделал это, просто добавив один член, его объединение стало объединением со следствиями.

Новые уравнения позволили электрическому и магнитному полям переходить друг в друга. Эти преобразования вызывают волны меняющихся рисунков, в которых первый есть электрическое поле, а затем магнитное поле, и которые двигаются через пространство. Такие движущиеся рисунки могут, среди других вещей, колебать электрический заряд назад и вперед. Надвигающиеся волны могут переносить энергию из одного места в другое.

Самая ошеломляющая вещь была в том, что Максвелл смог рассчитать скорость этих волн из своей теории, и нашел, что она такая же, как скорость света. Далее это принесло ему успех. Волны, проходящие через электрические и магнитные поля, есть свет. Максвелл не намеревался создать теорию света, он намеревался объединить электричество и магнетизм. Но, сделав это, он достиг кое-чего большего. Это пример того, как хорошая унификация будет иметь неожиданные следствия как для теории, так и для эксперимента.

Новые предсказания немедленно последовали. Максвелл осознал, что электромагнитные волны должны быть на всех частотах, а не только на частотах видимого света, и это приводит к открытию радио, инфракрасного света, ультрафиолетового света и так далее. Это иллюстрирует другой исторический урок: Когда кто-то предлагает правильную новую унификацию, следствия становятся очевидны очень быстро. Многие из этих явлений наблюдались в первые годы после того, как Максвелл опубликовал свою теорию.

Это заостряет вопрос, который станет важным, когда мы будем обсуждать другие предложения по унификации. Все унификации имеют следствия, поскольку они приводят к явлениям, которые возникают из-за того, что унифицированные вещи могут трансформироваться друг в друга. В хороших случаях эти новые явления вскоре наблюдаются – изобретатели имеют все основания прославить унификацию. Но мы увидим, что в других случаях предсказанные явления уже находятся в конфликте с наблюдениями. При таких несчастливых событиях сторонники или отказываются от своей теории, или ограничивают ее неестественным образом так, чтобы скрыть следствия унификации.

Но даже при всем триумфе объединение Максвеллом электричества и магнетизма столкнулось с труднопреодолимым препятствием. В середине девятнадцатого века большинство физиков верили, что физика была объединена потому, что все сущее было сделано из материи (или содержало материю, чтобы удовлетворить законам Ньютона). Для этих «механицистов» идею поля, просто колеблющегося в пространстве, было тяжело переварить. Теория Максвелла для них не имела смысла без некоторого материала, чье изгибание и растяжение должны были бы составить правильную реальность за электрическим и магнитным полями. Некоторый материал должен был бы колыхаться, когда волна света путешествует от цветка к глазу.

Фарадей и Максвелл сами были механицистами, и они посвятили много времени и волнений, чтобы рассмотреть эту проблему. Они были не одиноки, юный джентльмен тех времен делал хорошую карьеру в обновленных учреждениях, придумывая улучшение конструкций микроскопической оснастки, шкивов и ремней, чтобы они подразумевали лежащие в основе уравнения Максвелла. Тому, кто смог бы решить запутанные уравнения, были обещаны призы.

Имелось большое и очевидное проявление проблемы, которая заключалась в том, что свет путешествует до нас от Солнца и звезд, а внешнее пространство пусто и свободно от любой материи. Если бы в пространстве была любая материя, она замедляла бы движение планет, которые по этой причине давно бы упали на Солнце. Но как могут электрическое и магнитное поля находиться в вакууме?

Так механицисты придумали новую форму материи – эфир – и заполнили им пространство. Эфир имел парадоксальные свойства: он должен был быть экстремально плотным и неэластичным, чтобы свет был, по существу, звуковой волной через него. Гигантское отношение скорости света к скорости звука было бы следствием невообразимой плотности эфира. В то же время, эфир предполагался абсолютно не противодействующим прохождению через него обычной материи. Это тяжелее устроить, чем это выглядит. Можно просто сказать, что эфир и обычная материя не взаимодействуют друг с другом, – это означает, что они не оказывают друг на друга никакого силового воздействия. Но тогда почему обычная материя должна замечать свет – или электрические и магнитные поля, – если они являются просто искажениями в эфире? Не удивительно, что тому, кто умело это все обрабатывал, давали профессорство.

Могла ли быть более прекрасная унификация, чем теория эфира? Объединялись не только свет, электричество и магнетизм, эта унификация была их объединением с материей.

Однако, в то время, когда разрабатывалась теория эфира, концепция физиков по поводу материи также подвергалась изменениям. В начале девятнадцатого столетия большинство физиков думали о материи как о непрерывной, но позднее в том же веке был открыт электрон и идея, что материя состоит из атомов, была принята более серьезно – по меньшей мере, некоторыми физиками. Но это вызвало новый вопрос: что такое атомы и электроны в мире, сделанном из эфира?

Картина линий поля подобна линиям магнитного поля, следующих из северного полюса магнита к его южному полюсу. Линии поля никогда не могут закончиться, кроме их окончания на полюсе магнита, это один из законов Максвелла. Но они могут замыкаться в круги, и такие круги могут завязываться в узлы. Так что, возможно, атомы есть узлы в магнитных силовых линиях.

Но, как знает любой моряк, имеются разные способы завязать узел. Может быть, это хорошо, поскольку есть разные виды атомов. В 1876 лорд Кельвин предположил, что различные атомы могли бы соответствовать различным узлам.

Это может показаться абсурдным, но повторим, что в то время мы очень мало знали об атомах. Мы ничего не знали о ядре и никогда не слышали о протонах или нейтронах. Так что это было не так уж сумасшедшим, как может показаться.

В то время мы также очень мало знали об узлах. Никто не знал, сколько способов имеется, чтобы связать узел, или как отличить его. Так что, с подачи этой идеи математики начали изучение проблемы, как различить различные возможные узлы. Это медленно переросло в целый раздел математики, именуемый теория узлов. Вскоре было доказано, что имеется бесконечное количество различных способов завязать узел, но потребовалось долгое время, чтобы изучить, как отличить его. Некоторый прогресс был сделан в 1980е, но до сих пор никто не знает процедуры, как отличить, являются ли два сложных узла одинаковыми или различными.

Заметим, как хорошая идея по унификации, даже если она оказалась ошибочной, может инспирировать новое направление исследований. Мы должны иметь в виду, однако, что только тот факт, что объединяющая теория плодотворна для математики, не означает, что физическая теория корректна. С другой стороны, успех теории узлов потребовался бы нам, если бы мы все еще верили, что атомы есть узлы в магнитном поле.

Имелась и дальнейшая проблема: теория Максвелла вступила в противоречие с принципом относительности из ньютоновской физики. Оказалась, что через проведение различных экспериментов, включая измерение скорости света, наблюдатели выяснили, что об электромагнитном поле можно было бы сказать, движется оно или нет.

Здесь конфликт между двумя унификациями, обе из которых являются центральными в ньютоновской физике: унификация всего как материи, подчиняющейся законам Ньютона, против унификации движения и покоя. Для многих физиков ответ был очевиден: идея материальной вселенной была более важна, чем, возможно, второстепенный факт, что тяжело регистрировать движение. Но несколько физиков определили принцип относительности как более важный. Одним из них был юный студент, обучавшийся в Цюрихе, по имени Альберт Эйнштейн. Он размышлял над загадкой около десяти лет, начав в возрасте 16 лет, и, наконец, в 1905 осознал, что ответ требует полного пересмотра наших представлений о пространстве и времени.

Эйнштейн решил загадку, сыграв в тот же самый великий трюк, в который исходно играли Галилей и Ньютон, чтобы установить относительность движения. Он осознал, что различие между электрическими и магнитными эффектами зависит от движения наблюдателя. Так что унификация Максвелла оказалась глубже, чем даже подозревал сам Максвелл. Электрическое и магнитное поля не только были различными аспектами одного явления, но и различные наблюдатели проводили бы это различие по-разному; это означает, что один наблюдатель может объяснять некоторое явление в терминах электричества, в то время как другой наблюдатель, движущийся относительно первого, мог бы объяснить то же самое явление в терминах магнетизма. Но оба согласятся по поводу того, что происходит. Так родилась специальная теория относительности (СТО) Эйнштейна как объединение галилеевской унификации покоя и движения с максвелловской унификацией электричества и магнетизма.

Из этого многое следует. Одно следствие в том, что свет должен иметь универсальную скорость, независимую от движения наблюдателя. Другое в том, что должна иметь место унификация пространства и времени. Ранее имелось явное различие: время было универсальным, и каждый согласился бы с тем, что понимается под одновременным происхождением двух событий. Эйнштейн показал, что наблюдатели, двигающиеся по отношению друг другу, будут не согласны с тем, произошли ли два события в разных местах в одно и то же время или нет. Это объединение подразумевалось в его статье 1905 года, озаглавленной «К электродинамике движущихся тел», и было установлено явно в 1907 одним из его учителей, Германом Минковским.

Итак, тут мы опять имеем историю двух соревнующихся попыток унификации. Механицисты имели прекрасную идею, которая объединит физику: все сущее есть материя. Эйнштейн поверил в другой вид объединения: в унификацию движения и покоя. Чтобы поддержать это, он придумал еще более глубокую унификацию – пространства и времени. В каждом случае нечто, что раньше мыслилось как абсолютно различное, становилось различным только относительно движения наблюдателя.

В самом конце конфликт между двумя предложениями унификации был урегулирован экспериментом. Если вы верили механицистам, вы поверили бы, что наблюдатель мог бы измерить свою скорость через эфир. Если вы верили Эйнштейну, вы знали бы, что этого не могло быть, так как все наблюдатели эквивалентны.

Несколько попыток обнаружить движение Земли через эфир были сделаны перед 1905, когда Эйнштейн предложил СТО, и они провалились.[9] Защитники теории эфира все корректировали свои предсказания так, чтобы сделать тяжелее и тяжелее обнаружение движения Земли через эфир. Это было легко сделать, поскольку, когда они проводили свои расчеты, они использовали теорию Максвелла, которая, когда она корректно интерпретируется, согласуется с ожиданиями Эйнштейна, что эфирное движение не детектируемо. Это означает, что механицисты уже имели правильные уравнения, они только имели неправильные интерпретации.

Что касается самого Эйнштейна, неясно, насколько он был осведомлен о ранних экспериментах, но они не могли иметь для него значения, поскольку он уже убедился, что эфирное движение Земли не детектируемо. Эйнштейну, фактически, оставалось только взяться за дело. Как мы увидим в следующей главе, его унификация пространства и времени была подвергнута углубленному рассмотрению. Со временем большинство физиков согласились с ним и признали СТО, при этом сам Эйнштейн уже ушел далеко за ее пределы.

3. Мир как геометрия


Первые десятилетия двадцатого века показали несколько попыток унификации. Немногие удались, остальные потерпели неудачу. Коротко ознакомившись с их историями, мы можем извлечь урок, который поможет нам понять быстро кризис современных попыток унификации.

От Ньютона до Эйнштейна доминировала одна идея: мир сделан ни из чего другого, как из вещества. Даже электричество и магнетизм были аспектами вещества – просто искажениями эфира. Но эта красивая картина была разрушена с триумфом СТО, ибо если целое понятие быть в покое или в движении является бессмысленным, эфир должен быть фикцией.

Поиски унификации велись тут и там, но на самом деле было только одно направление движения. Это была противоположность теории эфира: если поля не сделаны из вещества, вероятно, поля являются фундаментальной материей. Материя тогда должна быть сделана из полей. Уже были модели электронов и атомов как напряжений в полях, так что это был не такой уж большой шаг.

Но как раз, когда эта идея приобретала приверженцев, все еще оставались загадки. Например, имелось два различных вида полей, гравитационное поле и электромагнитное поле. Почему два поля, а не одно поле? И конец ли это истории? Стремление к унификации вынудило физиков спросить, не являются ли гравитация и электромагнетизм сторонами одного явления. Таким образом родились поиски того, что мы сегодня называем единой теорией поля.

Поскольку Эйнштейн только что встроил электромагнетизм в свою СТО, самым логичным путем продолжения было модифицировать ньютоновскую теорию гравитации так, чтобы сделать ее согласующейся с СТО. Это оказалось легко сделать. И не только это, эта модификация привела к чудесному открытию, которое стало ядром единых теорий до сегодняшнего дня. В 1914 финский физик по имени Гуннар Нордстрём нашел, что все, что вам нужно было сделать, чтобы объединить гравитацию и электромагнетизм, это нужно было повысить размерность пространства на единицу. Он написал уравнения, которые описывали электромагнетизм в мире с четырьмя измерениями пространства (и одним измерением времени), а вылезла гравитация. Только за счет дополнительного пространственного измерения вы получаете унификацию гравитации и электромагнетизма, которое, к тому же, совершенно согласуется с СТО Эйнштейна.

Но если это верно. Не должны ли мы быть в состоянии видеть в этом новом измерении, как мы видим в трех пространственных измерениях? Если нет, не является ли тогда теория, очевидно, неправильной? Чтобы избежать эту мучительную проблему, мы можем сделать новое измерение круговым, так что, когда мы глядим в него, мы на самом деле путешествуем вокруг него и возвращаемся на то же место.[10] Тогда мы можем сделать диаметр круга очень маленьким, так что тяжело увидеть, что дополнительное измерение вообще здесь есть. Чтобы понять, как сжатие чего-нибудь может сделать невозможным его наблюдение, напомним, что свет состоит из волн и каждая световая волна имеет длину волны, которая равна расстоянию между пиками. Длина волны света устанавливает предел, насколько маленькую вещь вы можете увидеть; для вас нельзя различить объект, меньший, чем длина волны света, который вы используете, чтобы смотреть на него. Поэтому нельзя обнаружить существование дополнительной размерности, меньшей, чем длина волны света, которую можно ощутить.

Можно подумать, что Эйнштейн, как и все люди, мог бы воспользоваться этой новой теорией. Но в это время (1914) он уже двигался по совершенно другой дороге. В отличие от своих современников Эйнштейн выбрал маршрут к унификации гравитации с относительностью, который привел его назад к самому основанию принипа относительности: к унификации движения и покоя, открытой Галилеем несколькими столетиями ранее. Эта унификация касается только равномерного движения – это означает, движения по прямой линии с постоянной скоростью. Начав около 1907, Эйнштейн сначала задал себе вопрос о других типах движения, таких как ускоренное движение. Это движение, скорость или направление которого изменяются. Не должно ли различие между ускоренным и неускоренным движением быть неким образом уничтожено?

Сначала это кажется ошибочным шагом, ведь в то время, как мы не можем чувствовать равномерное движение, мы определенно чувствуем эффекты ускорения. Когда самолет отрывается от земли, мы чувствуем, как нас вдавливает назад в наши сидения. Когда лифт начинает подниматься, мы чувствуем ускорение в форме дополнительного давления, вжимающего нас в пол.

Именно в этом моменте Эйнштейн сделал свое наиболее экстраординарное прозрение. Он осознал, что эффекты ускорения неотличимы от эффектов гравитации. Подумаем о женщине, стоящей в лифте в ожидании, когда он тронется. Она уже чувствует силу, вдавливающую ее в пол. То, что происходит, когда лифт начинает подниматься, не отличается по виду, а только по степени: Она чувствует ту же самую силу, но возросшую. Допустим, что лифт все еще стоит, но сила тяжести моментально возросла. Эйнштейн осознал, что она будет чувствовать в точности то же самое, как если бы лифт двигался с ускорением вверх.

Имеется и обратное к сказанному утверждение. Допустим, что трос, удерживающий лифт, перерезан и кабина вместе с находящимися в ней начинает падать. В свободном падении пассажиры лифта будут чувствовать невесомость. Они будут чувствовать точно то, что чувствует астронавт на орбите. Таким образом, можно сказать, что ускорение падающего лифта может точно ликвидировать эффекты гравитации.

Эйнштейн напомнил наблюдение, что персона, падающая с крыши здания, не будет чувствовать никакого воздействия гравитации, пока она падает. Он назвал это «самой удачной мыслью моей жизни», и оформил ее в виде принципа, который он назвал принципом эквивалентности. Он гласит, что эффекты ускорения неотличимы от эффектов гравитации.[11]

Так Эйнштейн преуспел в унификации всех видов движения. Однородное движение не отличимо от покоя. И ускорение не отличается от состояния покоя, но в приложенном гравитационном поле.

Объединение ускорения с гравитацией было унификацией с великими следствиями. Даже до того, когда концептуальные выводы были выработаны, имелись гигантские последствия для эксперимента. Некоторые предсказания могли бы даже быть выведены из вузовской алгебры – например, что часы будут замедляться в гравитационном поле, что было со временем подтверждено. Другое предсказание, – впервые сделанное Эйнштейном в 1911, – было в том, что свет отклоняется, когда он проходит через гравитационное поле.

Отметим здесь, что, как и в успешных унификациях, обсуждавшихся ранее, одновременно происходит более, чем одно объединение. Объединяются два различных вида движения; больше нет необходимости проводить различие между равномерным и ускоренным движениями. И эффекты ускорения объединяются с эффектами гравитации.

Даже если Эйнштейн мог иметь основания для нескольких предсказаний из принципа эквивалентности, новый принцип не был завершенной теорией. Формулирование полной теории было величайшей задачей его жизни и потребовало для завершения около десяти лет. Чтобы увидеть, почему так, попытаемся понять, что означает сказать, что гравитация изгибает световые лучи. До этого особого прозрения Эйнштейна всегда и всюду имелись два вида вещей: вещи, которые живут в пространстве, и само пространство.

Мы не привыкли размышлять о пространстве как о сущности со своими собственными свойствами, но они определенно есть. Пространство имеет три измерения, а также оно имеет определенную геометрию, которую мы изучаем в школе. Названная евклидовой геометрией – по имени Евклида, который разработал ее постулаты и аксиомы более двух тысяч лет назад, – она представляет собой изучение свойств самого пространства. Теоремы евклидовой геометрии говорят нам, что происходит с треугольниками, окружностями и линиями, проведенными в пространстве. И они относятся ко всем объектам, материальным и воображаемым.

Следствием теории электромагнетизма Максвелла было то, что световые лучи двигаются по прямым линиям. Таким образом, она придавала смысл использованию световых лучей для отслеживания геометрии пространства. Но, если мы принимаем эту идею, мы немедленно видим, что эйнштейновская теория имеет великие следствия. В виде искривления световых лучей гравитационным полем, которое, в свою очередь, отвечает присутствию материи. Отсюда выводится единственное заключение, что присутствие материи влияет на геометрию пространства.

В евклидовой геометрии, если две прямые линии изначально параллельны, они никогда не встретятся. Но два световых луча, которые изначально были параллельны, могут встретиться в реальном мире, поскольку, если они проходят по обе стороны от звезды, они будут отклоняться по направлению друг к другу. Так что евклидова геометрия не верна для реального мира. Более того, геометрия постоянно меняется, поскольку материя постоянно движется. Геометрия пространства не подобна бесконечной плоскости. Она подобна поверхности океана – невероятно динамичной, с большими волнами и мелкой рябью на ней.

Таким образом, геометрия пространства оказалась еще одним полем. В самом деле, геометрия пространства почти то же самое, что и гравитационное поле. Чтобы объяснить, почему так, напомним частичное объединение пространства и времени, которое Эйнштейн достиг в СТО. В этой унификации пространство и время вместе образуют четырехмерную сущность, названную пространством-временем. Оно имеет геометрическую аналогию с евклидовой геометрией в следующем точном смысле.

Рассмотрим прямую линию в пространстве. Две частицы могут двигаться вдоль нее, но одна путешествует с постоянной скоростью, тогда как другая постоянно ускоряется. Что касается пространства, две частицы двигаются по одинаковому пути. Но они двигаются по разным путям в пространстве-времени. Частица с постоянной скоростью двигается по прямой линии не только в пространстве, но и в пространстве-времени. Ускоренная частица двигается в пространстве-времени по искривленному пути (см. Рис.3).

 

Рисунок 3. Автомобиль, тормозящийся вдоль прямой в пространстве, путешествует по искривленному пути в пространстве-времени.

 

Поэтому, точно так же, как геометрия пространства может различить прямую линию от искривленного пути, геометрия пространства-времени может различить частицу, движущуюся с постоянной скоростью, от ускоренной частицы.

Но эйнштейновский принцип эквивалентности говорит нам, что эффекты гравитации не могут быть различимы на малых расстояниях от эффектов ускорения.[12] Поэтому, говоря о том, какие траектории ускоренные, а какие нет, геометрия пространства-времени описывает эффекты гравитации. Следовательно, геометрия пространства-времени и есть гравитационное поле.

Таким образом, двойная унификация, задаваемая принципом эквивалентности, становится тройной унификацией: все движения эквивалентны, как только эффекты гравитации приняты во внимание, гравитация неотличима от ускорения, и гравитационное поле объединяется с геометрией пространства-времени. Когда это было разработано в деталях, это стало эйнштейновской общей теорией относительности (ОТО), которую он опубликовал в полном виде в 1915.

Неплохо для парня, который не смог сначала получить академическую работу.

Таким образом, к 1916 имелось два весьма различающихся предложения по будущему физики, оба из которых базировались на глубокой идее по поводу объединения гравитации с остальной физикой. Это было элегантное объединение гравитации с электромагнетизмом Нордстрёма через простой постулат о дополнительном, скрытом измерении пространства. И это была ОТО Эйнштейна. Обе казались последовательными теориями, и каждая делала нечто неожиданно элегантное.

Обе они не могли бы быть верными, так что необходимо было сделать выбор. К счастью, две теории делали различные предсказания для выполнимого эксперимента. ОТО Эйнштейна предсказывала, что гравитация должна искривлять световые лучи – и точно предсказывала, насколько. В теории Нордстрёма такого эффекта не было: свет всегда двигается по прямым линиям, точка.

В 1919 великий британский астрофизик Артур Эддингтон повел экспедицию на западное побережье Африки для проведения эксперимента, который закончился подтверждением того, что гравитационное поле Солнца на самом деле отклоняет свет. Этот эффект наблюдался во время полного солнечного затмения, которое позволило увидеть вблизи края закрытого Солнца свет от звезд, которые фактически находились прямо за Солнцем. Если бы солнечная гравитация не искривила их свет, эти звезды не могли бы быть видны. Но они были. Так что выбор между двумя совершенно разными направлениям унификации был сделан единственным способом, который мог бы быть, – через эксперимент.

Это важный пример, поскольку он показывает пределы того, что может быть усовершенствовано одними размышлениями. Некоторые физики заявляли, что ОТО представляет собой случай, в котором было достаточно чистой мысли, чтобы показать путь вперед. Но реальная история противоположна. Без эксперимента большинство теоретиков, вероятно, выбрали бы унификацию Нордстрёма; она проще и сводится к мощной новой идее об объединении через дополнительные измерения.

Эйнштейновское объединение гравитационного поля с геометрией пространства-времени сигнализировало о глубочайшей трансформации того, как мы постигаем природу. До Эйнштейна пространство и время мыслились как имеющие свойства, которые были навечно фиксированы: Геометрия пространства была, есть и всегда будет такой, как ее описывал Евклид. Время движется независимо ни от чего. Вещи двигаются в пространстве и изменяются во времени, но сами пространство и время никогда не видоизменяются.

Для Ньютона пространство и время составляли абсолютный фон. Они обеспечивали фиксированную сцену, на которой разыгрывалась великая драма. Геометрия пространства и времени была нужна, чтобы придать смысл вещам, которые изменяются, таким как положения и движения частиц. Но сами они никогда не менялись. Мы имеем название для теорий, которые зависят от такого фиксированного, абсолютного каркаса: мы называем их зависимыми от фона теориями.

ОТО Эйнштейна совершенно иная. Здесь нет фиксированного фона. Геометрия пространства и времени меняется и эволюционирует, как и все остальное в природе. Разные геометрии пространства-времени описывают истории различных вселенных. Мы больше не имеем полей, двигающихся в фиксированной фоновой геометрии. Мы имеем сгустки полей, которые все взаимодействуют друг с другом, все динамические, все влияют друг на друга, одно из которых является геометрией пространства-времени. Мы называем такую теорию независимой от фона теорией.

Отметим разницу между зависимыми от фона и независимыми от фона теориями. История, которая раскрывается на протяжении этой книги, крутится вокруг различия между ними.

Эйнштейновская ОТО удовлетворяет всем тестам, которые мы предложили в последней главе для успешной унификации. Тут были глубокие концептуальные следствия, которые подразумевались включенными в унификацию. Они быстро привели к предсказаниям новых явлений, таких как расширяющаяся вселенная, Большой Взрыв, гравитационные волны и черные дыры, и для всех из них имеются хорошие свидетельства. Все наше понятие космологии было развернуто в их направлении. Предположения, которые некогда казались радикальными, вроде искривления света материей, сейчас используются как рабочие инструменты для отслеживания распределения материи во вселенной.

И всякий раз, когда предсказания теории детально тестировались, они прекрасно подтверждались.[13]

Но ОТО была только стартом. Даже перед тем, как Эйнштейн опубликовал окончательную версию теории, он и другие формулировали новые виды единых теорий. В целом они имели простую идею: если гравитационная сила могла бы пониматься как проявление геометрии пространства, почему это не могло бы быть верным и для электромагнетизма? В 1915 Эйнштейн написал Дэвиду Гильберту, вероятно, величайшему из живших тогда математиков: "Я часто мучил свой разум, чтобы перебросить мост через пропасть между гравитацией и электромагнетизмом."[14]

Но потребовалось время до 1918, чтобы появилась по-настоящему хорошая идея об этой особой унификации. Эта теория, придуманная математиком Германом Вейлем, содержала красивую математическую идею, которой предстояло стать ядром стандартной модели физики частиц. Однако теория потерпела неудачу, поскольку в исходной версии Вейля она давала большие следствия, которые не согласовывались с экспериментом. Одно заключалось в том, что длина объекта должна зависеть от пути его получения. Если вы берете два метровых бревна, разделяете их, а затем сводите их назад вместе и сравниваете, они должны будут в общем случае иметь разную длину. Это намного радикальнее, чем СТО, которая содержит положение, что метровые бревна могут на самом деле стать разными по длине, но только когда они двигаются друг относительно друга, а не когда они сравниваются в покое. Это, конечно, не согласуется с нашим ощущением природы.

Эйнштейн не поверил в теорию Вейля, но он восхищался ей, написав Вейлю: "За исключением [отсутствия] согласия с реальностью это в любом случае великолепное интеллектуальное свершение."[15] Ответ Вейля показывает силу математической красоты: "Отклонение Вами теории тяжело для меня,... Но мой собственный разум все еще сохраняет веру в нее."[16]

Конфликт между теми, кто попался на очарование красивой теории, которую они придумали, и более трезвыми умами, настаивающими на связи с реальностью, является историей, которую мы снова и снова будем видеть в более поздних попытках унификации. В этих случаях нет легкого решения, поскольку теория может быть фантастически красивой, плодотворной для развития науки и, в то же время, полностью неправильной.

Но даже если первая попытка унификации Вейля провалилась, он придумал современную концепцию объединения, которая в конце концов привела к теории струн. Он был первым, но далеко не последним, кто заявил: "Я достаточно нахален, чтобы верить, что целые физические явления могут быть выведены из единственного универсального мирового закона величайшей математической простоты."[17]

Годом позже теории Вейля немецкий физик по имени Теодор Калуца нашел другой путь для объединения гравитации и электромагнетизма, пересмотрев идею Нордстрёма о скрытой размерности. Но он сделал эту размерность скрученной. Нордстрём нашел гравитацию, применив теорию электромагнетизма Максвелла к пятимерному миру (в котором четыре измерения пространственные и одно временное). Калуца сделал обратное: он применил ОТО Эйнштейна к пятимерному миру и нашел электромагнетизм.

Вы можете наглядно представить это новое пространство, добавив маленькую окружность к каждой точке обычного трехмерного пространства (см. Рис.4). Эта новая геометрия может быть искривлена новыми способами, поскольку маленькие окружности могут присоединяться к различным точкам по-разному. Тогда в каждой точке оригинального трехмерного пространства может быть измерено нечто новое. Эта информация, оказывается, выглядит в точности как электрическое и магнитное поля.

Другой удивительный побочный результат заключается в том, что оказывается, что заряд электрона связан с радиусом маленькой окружности. Это не должно быть удивительным: если электрическое поле есть просто проявление геометрии, электрический заряд должен быть тоже проявлением геометрии.

 

Рисунок 4. Скрученные дополнительные размерности, использованные в теории Калуцы-Кляйна. Слева: сферы расположены в каждой точке обычного трехмерного пространства, создавая пятимерное пространство. Справа: маленькая окружность расположена на одномерном пространстве. Издалека пространство выглядит одномерным, но при ближайшем рассмотрении видно, что оно двумерно.

 

И не только это. ОТО описывает динамику пространства-времени в терминах определенных уравнений, называемых уравнениями Эйнштейна. Мне не нужно выписывать их, чтобы описать ключевой факт: эти же самые уравнения могут быть применены к пятимерному миру, который мы только что описали. До тех пор, пока мы наложили одно простое условие, они оказываются правильными уравнениями для описания электрического и магнитного полей и гравитации, объединенных вместе. Таким образом, если эта теория верна, электромагнитное поле является просто другим названием для геометрии пятого измерения.

Идея Калуцы была переоткрыта и разработана дальше в 1920е шведским физиком Оскаром Кляйном. Его теория на самом деле была красива и неотразима. Гравитация и электромагнетизм были объединены одним ударом, и уравнения Максвелла были объяснены как вытекающие из уравнений Эйнштейна, и все благодаря простому акту добавления одного измерения к пространству.

В это время Эйнштейн был покорен. В апреле 1919 он написал Калуце: "Идея достижения [единой теории] через пятимерный цилиндр никогда у меня не возникала.... На первый взгляд Ваша идея нравится мне чрезвычайно."[18] Несколькими годами позже в письме датскому физику Хендрику Лоренцу он радовался: "Оказывается, что союз гравитации и теории Максвелла достигается полностью удовлетворительным образом посредством пятимерной теории."[19] Известный физик Джордж Уленбек вспоминал, как он впервые услышал об идее Кляйна в 1926: "Я почувствовал разновидность экстаза! Теперь кто-то понимает мир."[20]

К сожалению, Эйнштейн и другие энтузиасты ошибались. Как и с теорией Нордстрёма, идея унификации через добавление скрытой размерности потерпела неудачу. Важно понять, почему.

Я говорил раньше, что для того, чтобы предложенная унификация была успешной, она должна завоевать свое место, сделав новые предсказания, которые подтвердит эксперимент. Успешные унификации также генерируют обилие новых прозрений, которые приводят к новым открытиям. Оказалось, как это не раз бывало, что ни одна из этих вещей не произошла в случае теории Калуцы-Кляйна. Причина проста: теория наложила упомянутое ранее внешнее условие, согласно которому дополнительное измерение скручено в окружность, чей радиус слишком мал, чтобы его разглядеть. И не только это: чтобы получить электромагнетизм из теории, радиус кольца должен быть заморожен, не изменяться ни в пространстве, ни во времени.

Это ахиллесова пята всего предприятия, именно она приводит прямо к его краху. Причина в том, что замораживание радиуса дополнительного измерения подрывает саму суть ОТО Эйнштейна, которая в том, что геометрия является динамической. Если мы добавим другое измерение к пространству-времени, которое описывается ОТО, геометрия этого дополнительного измерения должна быть также динамической. А это будет реально в том случае, если позволить радиусу маленькой окружности свободно изменяться. При этом теория Калуцы и Кляйна будет иметь бесконечно много решений, в которых радиус окружности варьируется в пространстве и изменяется во времени. Это будет иметь удивительные следствия, поскольку это приводит к процессам, в которых гравитационные и электрические эффекты преобразуются друг в друга. Это также приводит к процессам, в которых электрические заряды меняются во времени.

Но, если унификация Калуцы-Кляйна является правильной, пятое измерение нельзя было бы рассматривать отдельно от других: маленькой окружности нужно было бы позволить изменяться. Поэтому результирующие процессы являются необходимыми следствиями объединения электричества и геометрии. Если бы они когда-либо наблюдались, это было бы прямым подтверждением, что геометрия, гравитация, электричество и магнетизм все являются аспектами одного явления. К сожалению, такие эффекты никогда не наблюдались.

Этот случай не из тех, в которых теоретики могли быстро отпраздновать следствия унификации; вместо этого они должны были скрыть их, настойчиво утверждая, что исследовано только бесконечно малая часть решений, где радиус пятого измерения заморожен в пространстве и во времени.

Дело было еще хуже, поскольку такие решения, как оказалось, нестабильны. Подвигаем хоть на йоту геометрию, и маленькие окружности быстро сколлапсируют в сингулярность, отмечая конец времен. Подвигаем ее иным образом, и окружности вырастут, так что вскоре дополнительная размерность станет видимой, совсем дискредитируя теорию. В результате предсказания теории должны быть скрыты, чтобы закрыть тот факт, что она становится настолько неправильной.

На этом этапе даже Эйнштейн потерял свой энтузиазм. Он писал своему другу Паулю Эренфесту: "Это ненормально, заменить четырехмерный континуум пятимерным, а затем, позднее, искусственно связать одно из этих пяти измерений, чтобы установить соответствие факту, что оно не проявляет себя."[21]

Как если бы этого было не достаточно, физики нашли и другие причины отбросить эту теорию. К 1930м люди узнали, что в мире имеется больше сил, чем гравитация и электромагнетизм. Они узнали о сильном и слабом ядерных взаимодействиях, так что стало бессмысленно оставлять их за пределами унификации. Но никто не знал, как включить их в эти единые теории. Тем не менее, со временем поиски единой теории продолжились усилиями Эйнштейна. Некоторые из великих математиков и физиков того времени внесли вклад в эти попытки, включая Вольфганга Паули, Эрвина Шредингера и Вейля. Они нашли другие пути для модификации геометрии пространства-времени так, чтобы объединить гравитацию с электромагнетизмом. Они были уверены в глубоких математических прозрениях, но они тоже никуда не пришли, они или не делали новых предсказаний, или делали предсказания явлений, которые не наблюдались. К 1940м Эйнштейн и несколько других людей, кто все еще искал единую теорию поля, главным образом, вызывали насмешки.

 

Моя первая работа после получения степени доктора философии была в 1979 в Институте перспективных исследований в Принстоне. Одной из главных причин для меня принять ее была надежда соприкоснуться с некоторым живым наследием Эйнштейна, который умер двадцатью четырьмя годами ранее. В этом я разочаровался. Здесь не было следов его времени, за исключением его бюста в библиотеке. Ни один студент или последователь Эйнштейна не мог быть найден. Только несколько людей, которые знали его, вроде физика-теоретика Фримена Дайсона, все еще были здесь.

В первую мою неделю там Дайсон, в высшей степени джентльмен, подошел и пригласил меня на ланч. После расспросов о моей работе он поинтересовался, есть ли что нибудь, что он мог бы сделать, чтобы я почувствовал себя в Принстоне как дома. Я имел всего один вопрос. Я спросил: «Не могли бы Вы мне сказать, как на самом деле выглядел Эйнштейн?» Дайсон ответил: «Мне очень жаль, но это единственная вещь, в которой я не могу вам помочь.» Удивившись, я стал настаивать: «Но Вы появились тут в 1947, и вы были коллегами с ним до его смерти в 1955.»

Дайсон объяснил, что он тоже пришел в институт в надежде узнать Эйнштейна. Так он подошел к секретарю Эйнштейна, Элен Дукас, чтобы договориться о встрече. За день до встречи он начал волноваться, что не имеет чего-то особенного для обсуждения с великим человеком, так что он получил у госпожи Дукас копии недавних научных статей Эйнштейна. Они все были об усилиях Эйнштейна сконструировать единую теорию поля. Прочитав их тем же вечером, Дайсон решил, что это негодный хлам.

На следующее утро он осознал, что, хотя он не мог бы предстать перед Эйнштейном и сказать, что его работа была хламом, он не мог бы и не сказать ему ничего.

Так что он не пришел на встречу и, как он сказал мне, исчерпал в результате все восемь лет, пока смерть Эйнштейна не отменила все.

Я смог только сказать очевидное: «Вы не думаете, что Эйнштейн мог бы защититься и объяснить вам свою мотивацию?»

"Определенно," – ответил Дайсон, – «Но я стал намного старше, прежде чем эта мысль посетила меня.»

Одна из проблем, которая стояла перед Эйнштейном и несколькими теоретиками, занимавшимися единой теорией поля, была (исключая насмешки со стороны физиков, занимающихся частицами) в том, что этот вид унификации оказался слишком простым. Вместо того, чтобы быть тяжелыми для поиска, единые теории поля были по пятачку пучок. Было множество различных путей для их достижения и никаких оснований для выбора одной среди других. За десятилетия трудов было только одно реальное продвижение: Была решена проблема присоединения двух ядерных сил. Оказалось, что все, что требуется, это добавить еще больше дополнительных размерностей. Поля, необходимые для описания слабого и сильного ядерных взаимодействий, появлялись, когда к ОТО были добавлены еще несколько размерностей. История почти та же, что и в попытках Калуцы с электромагнетизмом: Заморозили геометрию дополнительных измерений, убедились, что их геометрия никогда не изменяется во времени и в пространстве, и сделали их размер слишком маленьким, чтобы их разглядеть. Когда все это сделано корректно, необходимые уравнения (известные как уравнения Янга-Миллса) возникают из применения уравнений ОТО к высшим измерениям.

Тот факт, что уравнения Янга-Миллса были скрыты в высокоразмерных обобщениях ОТО, не был открыт до 1950х, но их значение не было осознано до 1970х, когда мы, наконец, поняли, что эти уравнения описывают слабые и сильные ядерные силы. Когда люди, наконец, установили эту взаимосвязь, было несколько попыток пересмотреть идеи Калуцы-Кляйна, но они не зашли очень далеко. К тому моменту мы узнали, что в природе отсутствует определенная симметрия – такая как равноправие между правым и левым. А именно, все нейтрино являются тем, что называется левоспиральными (это означает, что направление их спина всегда противоположно направлению их линейного импульса). Это означает, что если вы посмотрите на мир через зеркало, вы увидите неправильный мир – в котором нейтрино являются правоспиральными. Так что мир, который виден в зеркале, не является возможным миром. Но эту асимметрию оказалось тяжело объяснить в мире, описываемом теорией Калуцы-Кляйна.

Кроме сказанного, теории с высшими размерностями продолжали не делать никаких новых предсказаний. Условия, которые мы налагали на дополнительные размерности, чтобы получить ожидаемую физику, были семенами разрушения теорий. В самом деле, чем больше размерностей вы включали, тем большую цену вы платили за замораживание их геометрии. Чем больше измерений, тем больше степеней свободы – и тем больше свободы соответствует геометрии дополнительных измерений, чтобы убежать от жесткой геометрии, необходимой для воспроизведения сил, известных в нашем трехмерном мире. Проблема нестабильности становится все хуже и хуже.

Более того, как только имеется более одного скрытого измерения, имеется много различных способов их скручивания. Вместо того, чтобы быть только одним – окружностью – возникает бесконечное число способов, которыми скрытые размерности могут быть скручены, так что возникает бесконечное число возможных версий теории. Как природа выбирает среди них?

Снова и снова в ранних попытках объединения физики через дополнительные размерности мы сталкивались с той же самой историей. Имеется несколько решений, которые приводят к наблюдаемому нами миру, но они являются нестабильными островами в безбрежном ландшафте возможных решений, оставшаяся часть которого совсем непохожа на наш мир. И раз уж были наложены условия, чтобы удалить лишнее, там нет «дымящегося пистолета» – явной улики – нет следствий от унификации, которые еще не наблюдались, но могли бы наблюдаться, если экспериментаторы поискали бы их. Так что тут нечего праздновать, но есть очень много чего прятать.

Но здесь имеется даже еще более фундаментальная проблема, которая проявляется через соотношение единых теорий с квантовой теорией. Ранние попытки что-то сделать в теориях единого поля имели место до того, как квантовая механика была полностью сформулирована, в 1926. Конечно, несколько сторонников квантовой теории интересовались умозрительными построениями по поводу соотношения между дополнительными размерностями и квантовой теорией. Но после 1930 или около того произошел раскол. Большинство физиков игнорировали проблему унификации и, вместо этого, сконцентрировались на приложениях квантовой теории к громадному массиву явлений от свойств материалов до процессов, с помощью которых звезды производят энергию. В то же время, те немногие, кто упорно продолжал работать над едиными теориями, все больше и больше игнорировали квантовую теорию. Эти люди (Эйнштейн среди них) работали так, как если бы Планк, Бор, Гейзенберг и Шредингер никогда не существовали. Они жили после квантовомеханической революции, но пытались работать в умозрительной вселенной, в которой эта революция никогда не происходила. Они казались своим современникам похожими на старомодное сообщество аристократов российской эмиграции, которые в 1920е и 1930е проводили свои тщательно разработанные социальные ритуалы в Париже и Нью-Йорке так, как если бы они вернулись назад в царский Санкт-Петербург.

Конечно, Эйнштейн не был прямо уж неким отвергнутым интеллектуалом-эмигрантом из потерянного мира (даже если он был интеллектуалом-эмигрантом из потерянного мира). Он знал полностью, что он игнорирует квантовую теорию, но он имел причину: он в нее не верил. Даже если он сам поджег квантовую революцию со своим осознанием, что фотон реален, он отвергал следствия. Он надеялся открыть более глубокую теорию квантовых явлений, которая была бы для него приемлема. Это именно туда, как он надеялся, приведет его единая теория поля.

Но она не привела. Мечта Эйнштейна об окончании бегов вокруг квантовой теории потерпела неудачу, и она более или менее умерла вместе с ним. К тому времени немногие почитали его и еще меньше следовали за ним. Физики в то время думали, что у них есть лучшие вещи для занятий, чем игра с фантастическими идеями об унификации. Они были загружены тяжелой работой по каталогизации множества новых частиц, которые были открыты, и по оттачиванию теорий двух вновь открытых фундаментальных сил. То, что некоторые могут рассуждать о том, что мир имеет более чем три пространственных измерения, скрученных в слишком малый размер, чтобы их было видно, казалось им столь же сумасшедшим и непродуктивным, как изучение НЛО. Не было выводов для эксперимента, не было новых предсказаний, так что в период, когда теория разрабатывалась рука об руку с экспериментом, не было смысла уделять этому внимание.

Но предположим на минуту, что, несмотря на все препятствия, мы все еще серьезно ожидали получить идеи по единому полю. Могли ли эти теории быть сформулированы на языке квантовой теории? Ответ был безоговорочно: нет. Никто не знал в то время, как сделать даже ОТО согласующейся с квантовой теорией. Все ранние попытки сделать это провалились. Когда вы добавляли больше измерений или больше искажений в геометрию, вещи всегда становились хуже, а не лучше. Чем больше число измерений, тем быстрее уравнения вырываются из-под контроля, раскручиваясь в бесконечные величины и противоречия.

Так что, хотя идея унификации с привлечением высших размерностей была очень привлекательной, от нее отказались, и по веской причине. Она не делала проверяемые предсказания. Даже если такая теория производила специальные решения, которые описывали наш мир, имелось, как отмечалось, намного больше решений, которые наш мир не описывали. А те несколько решений, которые описывали, были нестабильными и могли легко эволюционировать в сингулярности или в миры, совершенно не похожие на наш собственный мир. И, наконец, они не могли быть согласованы с квантовой теорией. Запомним эти причины – еще раз, потому, что успех или неудача новейших предложений по унификации, таких как теория струн, зависит от того, смогут ли они решить эти настоящие проблемы.

К тому времени, когда я начал изучение физики в начале 1970х, идея объединения гравитации с другими силами была так же мертва, как и идея непрерывной материи. Это был урок глупости некогда великих мыслителей. Эрнст Мах не верил в атомы, Джеймс Клерк Максвелл верил в эфир, а Альберт Эйнштейн занимался поисками единой теории поля. Жизнь непростая штука.

4. Объединение становится наукой


После того, как идея объединения всех четырех фундаментальных сил через придумывание новых размерностей потерпела крах, большинство физиков-теоретиков отказались от идеи связать гравитацию и другие силы, решение, которое имело смысл, поскольку гравитация значительно слабее, чем остальные три силы. Их внимание вместо этого привлек зоопарк элементарных частиц, который экспериментаторы наоткрывали на своих ускорителях частиц. Они исследовали данные в поисках новых принципов, которые могли бы, по меньшей мере, объединить все различные виды частиц.

Игнорирование гравитации означает шаг назад, к пониманию пространства и времени до ОТО Эйнштейна. Это была рискованная вещь, сделать так на долгом пути, так как это означает работать с идеями, которые уже были смещены. Но это имело и преимущества, так как этот подход привел к величайшему упрощению проблемы. Главный урок ОТО заключался в том, что нет фиксированной геометрии пространства и времени; игнорирование этого означало, что вы можете просто выбрать фон. Это отсылает нас назад к ньютоновской точке зрения, согласно которой частицы и поля населяют фиксированный фон пространства и времени – фон, чьи свойства фиксированы навечно.

Однако, нет необходимости проходить весь обратный путь к Ньютону. Можно работать в рамках описания пространства и времени, данного в СТО Эйнштейна в 1905. В соответствии с ней геометрия пространства и времени является той, которую задал Евклид, и ее изучали многие из нас в начале высшей школы; однако, пространство и время перемешаны, чтобы приспособиться к двум постулатам Эйнштейна, относительности наблюдателей и постоянства скорости света. Теория не может адаптировать гравитацию, но это правильные установки для максвелловской теории электрических и магнитных полей.

Раз квантовая механика была полностью сформулирована, квантовые теоретики обратили свое внимание на объединение электромагнетизма с квантовой теорией. Поскольку основным феноменом электромагнетизма являются поля, унификация, которая была в итоге получена, названа квантовой теорией поля. А поскольку СТО Эйнштейна является правильным подходом к электромагнетизму, эти теории можно также рассматривать как унификацию квантовой теории и СТО.

Было очень много стимулирующих проблем, чтобы применить квантовую теорию к частицам, поскольку поле имеет величину в каждой точке пространства. Если мы предположим, что пространство непрерывно, – как это декларируется в СТО, – то получим непрерывную бесконечность переменных. В квантовой теории каждая переменная подвержена принципу неопределенности. Одно следствие заключается в том, что чем более точно вы пытаетесь измерить переменную, тем более неконтролируемо она флуктуирует. Бесконечное число неконтролируемо флуктуирующих переменных может легко отбиться от рук. Когда вы задаете вопросы теории, вы должны быть очень аккуратны, чтобы не получить бесконечные или противоречивые ответы.

Квантовые теоретики уже знали, что для каждой электромагнитной волны имеется квантовая частица, фотон. Потребовалось всего несколько лет, чтобы разработать это в деталях, но в результате получилась просто теория свободно двигающихся фотонов; следующий этап заключался в присоединении заряженных частиц, таких как электроны и протоны, и в описании, как они взаимодействуют с фотонами. Целью была полностью последовательная теория квантовой электродинамики или КЭД. Это было намного более заманчивым. Впервые КЭД была прояснена японским физиком Син-Итиро Томонагой во время Второй мировой войны, но новости не достигли остального мира до 1948 или около того. К этому времени КЭД была еще дважды независимо сконструирована молодыми американцами Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером.

Когда КЭД была понята, встала задача распространить квантовую теорию поля на сильные и слабые ядерные силы. Это заняло следующую четверть века, и ключевым моментом стало открытие двух новых принципов: Первый определил, что общего имеют электромагнетизм и эти ядерные взаимодействия. Это было названо калибровочным принципом и, как я буду описывать, привело к объединению всех трех сил. Второй принцип объяснил, почему, хотя и объединенные, эти три силы столь различны. Он был назван спонтанным нарушением симметрии. Вместе эти два принципа формируют краеугольный камень стандартной модели физики частиц. Их точное применение привело к открытию, что частицы, вроде протона и нейтрона, не являются таки элементарными; вместо этого они построены из кварков.

Протон и нейтрон каждый имеют по три кварка, тогда как другие частицы, названные мезонами, имеют два (более точно, кварк и антикварк). Это открытие было сделано в начале 1960х независимо Мюрреем Гелл-Манном в Калтехе и Джорджем Цвейгом в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Вскоре после этого Джеймс Бьоркен в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC) и Ричард Фейнман в Калтехе предложили эксперименты, которые, когда их позднее провели в SLAC, подтвердили, что протон и нейтрон на самом деле состоят из трех кварков каждый.

Открытие кварков было существенным шагом в направлении унификации, поскольку взаимодействие протонов, нейтронов и других частиц было чрезвычайно сложным. Но имелась надежда, что сами силы между кварками могут быть простыми и что наблюдаемые сложности возникают из-за того, что протоны и нейтроны являются составными объектами. Этот вид представлений был уже подтвержден ранее: в то время как силы между молекулами сложны, силы между атомами, которые их составляют, могут быть легко поняты в терминах электромагнетизма. Эта идея заставила теоретиков бросить попытки понять силы между протонами и нейтронами в фундаментальных терминах и, вместо этого, поинтересоваться, как эти силы влияют на кварки. Это редукционизм в действии – старый трюк, при котором законы, управляющие частями, часто проще, чем законы, управляющие целым, – и, в конце концов, он был награжден открытием глубокой общности, которая соединяет две ядерные силы, сильную и слабую, с электромагнетизмом. Все три взаимодействия являются следствиями простого, но мощного калибровочного принципа.

Калибровочный принцип лучше всего понять в терминах того, о чем физики говорят как о симметрии. На простом языке симметрия есть операция, которая не изменяет то, как себя ведет некоторая вещь по отношению к внешнему миру. Например, если вы вращаете мяч, вы не изменяете его, он все еще остается сферой. Так что, когда физики говорят о симметрии, они могут иметь в виду операцию в пространстве, вроде вращения, которая не изменяет результат эксперимента. Но они могут также говорить о другом виде изменения, которое мы проделываем над экспериментом, которое не изменяет его результата. Например, представим, что вы берете две группы котов – скажем, восточных котов и западных котов – и проверяете их способности к подпрыгиванию. Если нет разницы в среднем прыжке, который может сделать кот, тогда мы говорим, что подпрыгивание кота является симметричным относительно операции замены всех ваших восточных котов на западных котов.

Вот другой пример, упрощенный и идеализированный, чтобы сконцентрировать внимание. Рассмотрим эксперимент, в котором пучок протонов ускоряется, а затем направляется на мишень, состоящую из определенного вида ядер. Вы, как экспериментатор, наблюдаете узор, который создают протоны, когда они рассеиваются на ядрах в мишени. Теперь без изменения энергии или мишени вы заменяете протоны на нейтроны. В определенных случаях рисунок рассеяния почти не изменяется. Эксперимент обнаруживает, что вовлеченные в процесс силы действуют одинаково на протоны и нейтроны. Иными словами, акт замены протонов на нейтроны является симметрией сил, действующих между ними и ядрами в мишени.

Знание симметрий хорошая вещь, так как они говорят вам кое-что о вовлеченных силах. В первом примере мы узнали, что сила гравитации, действующая на котов, не зависит от их места происхождения; во втором примере мы узнали, что определенные ядерные силы не могут обнаружить отличие между протонами и нейтронами. Иногда все, что мы получаем из симметрии, есть такая частичная информация о силах. Но есть специальные ситуации, в которых симметрии полностью определяют силы. Это оказывается именно так для класса сил, именуемых калибровочными силами. Я не хочу докучать вам точными подробностями, как это работает, так как это нам не понадобится.[22] Но факт, что все свойства сил могут быть определены из знания симметрий, является одним из самых важных открытий физики двадцатого столетия. В этой идее смысл калибровочного принципа.[23]

Две вещи о калибровочном принципе нам необходимо знать. Первая, что силы, к которым он приводит, переносятся частицами, названными калибровочными бозонами. Вторая вещь, которую нам надо знать, это что электромагнитные, сильные и слабые силы все оказываются силами такого типа. Калибровочный бозон, который соответствует электромагнитной силе, называется фотон. Калибровочный бозон, который соответствует сильному взаимодействию, удерживающему кварки вместе, называется глюон. Калибровочные бозоны для слабых сил имеют менее интересное название – они называются просто слабые бозоны.

Калибровочный принцип и есть та «красивая математическая идея», отмеченная в главе 3, которая была открыта Германом Вейлем в его неудавшейся попытке по объединению гравитации и электромагнетизма в 1918. Вейль был одним из самых глубоких математиков, когда-либо размышлявших над уравнениями физики, и именно он понял, что структура теории Максвелла полностью объясняется калибровочными силами. В 1950х некоторые люди поинтересовались, а не могут ли и другие теории поля быть сконструированы с использованием калибровочного принципа. Оказалось, что это может быть сделано на основе симметрий, включающих различные виды элементарных частиц. Эти теории теперь называются теориями Янга-Миллса в честь двух их изобретателей.[24] Сначала никто не знал, что делать с этими новыми теориями. Новые силы, которые они описывали, должны были иметь бесконечную область распространения подобно электромагнетизму. Физики знали, что каждая из двух ядерных сил имеет короткую область распространения, так что, казалось, что они не могут быть описаны калибровочной теорией.

Что делает теоретическую физику в той же степени искусством, как и наукой, так это то, что лучшие теоретики имеют интуитивное шестое чувство о том, какие результаты могут быть проигнорированы. Таким образом, в начале 1960х Шелдон Глэшоу, тогда постдок в Институте Нильса Бора, предположил, что слабая сила на самом деле описывается калибровочной теорией. Он просто постулировал, что некий неизвестный механизм ограничивает область распространения слабой силы. Если эта проблема области распространения могла бы быть решена, то слабая сила могла бы быть объединена с электромагнетизмом. Но все еще стояла глобальная проблема: как вы могли бы объединить силы, которые проявляются столь различным образом, как электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы?

Постдок – разновидность стажерства, временная исследовательская позиция (от года до нескольких лет), предоставляемая западными институтами для обладателей докторской (PhD) степени. – (прим. перев.)

Это пример общей проблемы, которая является напастью при любой попытке унификации. Явления, которые вы надеетесь объединить, различны – в противном случае не было бы ничего удивительного в их объединении. Так что даже если вы открыли некоторое скрытое единство, вам все еще надо понять, почему и как получилось, что они оказались различными.

Как мы говорили раньше, Эйнштейн нашел чудесный путь решения этой проблемы для СТО и ОТО. Он осознал, что кажущаяся разница между явлениями не является внутренней для явлений, а происходит полностью вследствие необходимости описания явлений с точки зрения наблюдателя. Электричество и магнетизм, движение и покой, гравитация и ускорение – все они были объединены Эйнштейном таким способом. Различия, которые наблюдатели ощущают между ними, зависят от обстоятельств, которые отражают только точку зрения наблюдателей.

В 1960х было предложено другое решение для этой общей проблемы: различия между объединяемыми явлениями зависят от обстоятельств, но не только от точки зрения отдельных наблюдателей. Вместо этого физики сделали то, что, на первый взгляд, кажется элементарным наблюдением: Законы могут иметь симметрию, которая не соответствует всем особенностям мира, к которому они применяются.

Позвольте мне сначала проиллюстрировать это с помощью наших социальных законов. Наши законы применяются одинаково ко всем людям. Мы можем расценить это как симметрию законов. Замените одну персону на любую другую, и вы не измените законов, которым они должны подчиняться. Все должны платить налоги, все не должны превышать лимит скорости. Но это равенство или симметрия перед законом не нуждается и не требует того, чтобы наши обстоятельства были одинаковыми. Некоторые из нас богаче других. Не все из нас имеют автомобили, а среди тех, кто имеет, склонности к превышению лимита скорости могут значительно различаться.

Более того, в идеальном обществе мы все стартуем с одинаковых возможностей. К сожалению, на самом деле это не так, но если бы это было так, мы могли бы говорить о симметрии в наших стартовых возможностях. В ходе жизни эта начальная симметрия заканчивалась бы. К моменту достижения двадцатилетия мы имеем очень различающиеся возможности. Некоторые из нас имеют возможность быть концертирующими пианистами, а некоторые олимпийскими атлетами.

Мы можем описать эту дифференциацию, сказав, что начальное равенство нарушено с течением времени. Физики, которые говорят о равенстве как о симметрии, скажут, что симметрия между нами при рождении нарушена посредством ситуаций, с которыми мы сталкиваемся, и посредством выбора, который мы делаем. В некоторых случаях будет тяжело предсказать способ, по которому симметрия будет нарушена. Мы знаем, что она должна нарушиться, но, глядя на полный младенцев детский сад, мы очень затруднимся предсказать, как это произойдет. В подобных случаях физики говорят, что симметрия спонтанно нарушена. Под этим мы понимаем, что необходимо, чтобы симметрия нарушилась, но точный способ, по которому она нарушается, в высшей степени зависит от обстоятельств. Спонтанное нарушение симметрии является вторым великим принципом, который лежит в основе стандартной модели физики частиц.

Есть и другой пример из человеческой жизни. Как член профессорско-преподавательского состава я иногда имел возможность прийти на встречу с новыми студентами. Наблюдая за ними на встречах друг с другом, я, случалось, видел, что в последующие годы некоторые становились друзьями, некоторые любовниками, а некоторые даже женились. В тот первый момент, когда они сталкивались друг с другом как чужие люди, в помещении наблюдалось много симметрии, многие возможные связи и дружеские союзы могли бы быть придуманы в этой группе. Но симметрия с необходимостью должны быть нарушена, так как настоящие человеческие взаимоотношения вырабатываются из намного большего пространства возможных взаимосвязей. Это тоже пример спонтанного нарушения симметрии.

Почти вся структура мира, как социального, так и физического, является следствием требования, что мир в его реальности нарушает симметрии, присутствующие в пространстве возможностей. Важное свойство этого требования заключается во взаимообмене между симметрией и стабильностью. Симметричная ситуация, в которой мы все являемся потенциальными друзьями и романтическими партнерами, нестабильна. В реальности мы должны сделать выбор, и это приводит к большей стабильности. Мы меняем нестабильную свободу потенциальных возможностей на стабильное ощущение реальности.

То же самое верно и в физике. Общим примером из физики является карандаш, балансирующий на своем острие. Это симметричное состояние, в котором, пока он балансирует на своем острие, все направления (падения) столь же хороши, как и любые другие. Но это состояние нестабильно. Когда карандаш падает, что неизбежно должно произойти, он упадет хаотически в том или ином направлении, нарушив симметрию. Но, раз уж он упал, состояние стало стабильным, но больше оно не проявляет симметрии – хотя симметрия все еще здесь, в лежащих в основании законах. Законы описывают только пространство того, что может произойти; реальный мир управляется теми же законами, включающими выбор одной реализации из множества возможностей.

Этот механизм спонтанного нарушения симметрии можно применить к симметриям между частицами в природе. Когда с симметриями происходит то, что из калибровочного принципа возникают силы природы, это приводит к различию в их свойствах. Силы становятся различимыми; они могут иметь различные области распространения и различные величины. Перед нарушением симметрии все четыре фундаментальные силы имели бесконечную область распространения, как у электромагнетизма, но после нарушения симметрии некоторые из них стали конечными, подобно двум ядерным силам. Как отмечалось, это одно из самых важных открытий физики двадцатого века, поскольку вместе с калибровочным принципом оно позволяет нам объединить фундаментальные силы, которые кажутся несоизмеримыми.

Идея объединения спонтанного нарушения симметрии с калибровочным принципом была придумана Франсуа Энглером и Робертом Броутом в Брюсселе в 1962 и, независимо, несколькими месяцами позже Петером Хиггсом из Эдинбургского университета. Ее стоило бы назвать ЭБХ-феноменом, но, к сожалению, обычно ее называют только феноменом Хиггса. (Это один из многочисленных примеров, в которых нечто в науке получает название по последней персоне, которая это нечто открыла, вместо того, чтобы по первой). Эти трое также показали, что имеется частица, чье существование является следствием спонтанного нарушения симметрии. Она называется Хиггсовым бозоном.

Несколькими годами позже, в 1967, Стивен Вайнберг и пакистанский физик Абдус Салам независимо открыли, что комбинация калибровочного принципа и спонтанного нарушения симметрии может быть использована для конструирования конкретной теории, которая объединяет электромагнитные и слабые ядерные силы. Теория носит их имя: модель Вайнберга-Салама электрослабых сил. Это была определенно унификация со следствиями, которую надо было отпраздновать; она быстро привела к предсказаниям новых явлений, которые были успешно проверены. Она предсказала, например, что должны существовать частицы – аналоги фотону, который переносит электромагнитное взаимодействие, – для передачи слабого ядерного взаимодействия. Таких частиц три с названиями W+, W- и Z. Все три были найдены и проявили предсказанные свойства.

Использование спонтанного нарушения симметрии в фундаментальной теории имело чрезвычайные последствия не только для законов природы, но и для более общего вопроса о том, что из себя представляют законы природы; до этого мы думали, что свойства элементарных частиц определяются непосредственно вечно заданными законами природы. Но в теории со спонтанным нарушением симметрии был введен новый элемент, который заключается в том, что свойства элементарных частиц зависят отчасти от истории и от окружения. Симметрия может нарушиться различными способами в зависимости от условий вроде плотности и температуры. Более общо, свойства элементарных частиц зависят не только от уравнений теории, но и от того, какое решение этих уравнений имеет отношение к нашей вселенной.

Это сигнализирует об отходе от обычного редукционизма, в соответствии с которым свойства элементарных частиц вечны и устанавливаются абсолютным законом. Это открывает возможность, что многие – или даже все – свойства элементарных частиц зависят от обстоятельств и от того, какое решение законов выбрано в нашем регионе вселенной или в нашу отдельную эру. Они могут отличаться в различных регионах.[25] Они могут даже изменяться во времени.

В спонтанном нарушении симметрии имеется величина, которая сигнализирует, что симметрия нарушена и каким образом. Эта величина обычно является полем, названным полем Хиггса. Модель Вайнберга-Салама требует, чтоб поле Хиггса существовало и чтобы оно проявлялось как новая элементарная частица, именуемая Хиггсовым бозоном, который переносит силы, ассоциирующиеся с полем Хиггса. Из всех предсказаний, требуемых унификацией электромагнитных и слабых сил, только это предсказание еще не было подтверждено на опыте. Одна трудность в том, что теория не позволяет нам точно предсказать массу Хиггсова бозона, она является одной из свободных констант, которые теория требует задать извне. Было много экспериментов, направленных на поиски Хиггсова бозона, но все, что мы знаем, это что, если он существует, его масса должна быть больше, чем примерно 120 масс протона. Одной из главных целей будущих экспериментов на ускорителях является ее поиск.

В начале 1970х калибровочный принцип был применен к сильному ядерному взаимодействию, которое связывает кварки, и было найдено, что калибровочное поле также отвечает и за это. Итоговая теория названа квантовой хромодинамикой, или КХД для краткости. (Слово хромо от греческого «цвет» указывает на образное обозначение, использованное для указания на факт, что кварки бывают трех версий, которые для красоты названы цветами). КХД тоже выдержала строгий экспериментальный тест. Вместе с моделью Вайнберга-Салама она составляет основу стандартной модели физики элементарных частиц.

Открытие, что все три силы являются выражениями единого объединяющего принципа – калибровочного принципа, – является глубочайшим достижением теоретической физики частиц на сегодняшний момент. Сделавшие это люди являются настоящими героями науки. Стандартная модель является результатом десятилетий тяжелого, часто разочаровывающего экспериментального и теоретического труда сотен людей. Она была завершена в 1973 и поддержана за тридцать лет широким массивом экспериментов. Мы, физики, справедливо гордимся ею.

Но рассмотрим, что произошло дальше. Все три силы теперь понимаются как выражения одного и того же принципа, и было очевидно, что они должны быть объединены. Чтобы объединить все частицы, однако, вам нужно больше симметрии, чем они все содержат. Тогда вы применяете калибровочный принцип, приводящий к трем силам. Чтобы различить все частицы и силы, вы устанавливаете их так, что любая конфигурация системы, в которой реализована симметрия, является нестабильной, тогда как стабильные конфигурации асимметричны. Это нетрудно сделать, поскольку, как я обсуждал, симметричные ситуации часто нестабильны в природе. Таким образом, симметрия, включающая все частицы вместе, будет спонтанно нарушена. Это может быть сделано так, что в итоге три силы окажутся именно с теми свойствами, с которыми они наблюдаются.

Идея великого объединения была не только в том, чтобы свести все силы вместе, но и в том, чтобы придумать симметрию, которая переводит кварки (частицы, управляемые сильным взаимодействием) в лептоны (частицы, управляемые электрослабым взаимодействием), поэтому объединение двух основных видов частиц приводит только к одному виду частиц и к одному калибровочному полю. Простейший кандидат на это великое объединение известен как симметрия SU(5). Название кодирует пять видов частиц, трансформирующихся друг в друга при симметрии: три цветных кварка каждого вида и два лептона (электрон и его нейтрино). SU(5) не только объединяет кварки и лептоны, она делает это с беспримерной элегантностью, лаконично объясняя все, что делалось в стандартной модели, и делая необходимым многое из того, что ранее было случайным. SU(5) объясняет все предсказания стандартной модели и, даже лучше, делает некоторые новые предсказания.

Одно из этих новых предсказаний заключалось в том, что должны существовать процессы, посредством которых кварки могут видоизмениться в электроны и нейтрино, поскольку в SU(5) кварки, электроны и нейтрино являются только различными проявлениями одного и того же основополагающего вида частиц. Как мы видели, когда две вещи объединяются, должны проявиться новые физические процессы, путем которых они могут переходить друг в друга. SU(5) на самом деле предсказывает такие процессы, которые сходны с радиоактивным распадом. Это чудесное предсказание, характеризующее великое объединение. Это требуется теорией и характерно только для нее.

Распад кварка на электроны и нейтрино должен был бы иметь наблюдаемые последствия. Протон, содержащий этот кварк, больше не был бы протоном; он распался бы на более простые части. Таким образом, протоны больше не являются стабильными частицами – они подвергаются разновидности радиоактивного распада. Конечно, если бы это происходило очень часто, наш мир распался бы, так как все стабильное в нем состоит из протонов. Так что, если протоны распадаются, темп распада должен быть очень малым. И это именно то, что предсказывает теория: темп менее одного такого распада каждые 1033 лет.

Но даже если этот эффект экстремально редок, он в пределах достижимости осуществимого эксперимента, поскольку в мире имеется гигантское количество протонов. Итак, в SU(5) мы имели лучший вид унифицирующей теории, в котором были удивительные следствия, которые не противоречили тому, что мы знаем и можем немедленно подтвердить. Мы могли бы компенсировать экстремальную редкость распада протона, построив гигантскую емкость и наполнив ее ультрачистой водой, чтобы был шанс, что где-то в емкости протон распадется не реже раза в год. Вы должны были бы защитить емкость от космических лучей, поскольку эти лучи, постоянно бомбардирующие Землю, могут разорвать протон на части. Затем, поскольку распад протона производит много энергии, все, что вам было бы нужно, это окружить емкость детекторами и ждать. Средства были выделены, и гигантская емкость была построена в шахтах глубоко под землей. Результат с нетерпением ожидался.

После примерно двадцати пяти лет мы все еще ждали. Ни один протон не распался. Мы ждали достаточно долго, чтобы понять, что унификация SU(5) не верна. Это прекрасная идея, но, кажется, из тех, что природа не приняла.

Недавно я случайно встретил друга из аспирантуры – Эдварда Фархи, который с тех пор стал директором Центра теоретической физики в Массачусетском технологическом институте. Мы не имели серьезного общения, вероятно, двадцать лет, но мы нашли, что имеем очень много, о чем поговорить. Мы оба наблюдали за тем, что происходило и что не происходило в физике частиц за двадцать пять лет с тех пор, как мы получили наши степени доктора философии. Эдди сделал важный вклад в теорию частиц, но сейчас работает, большей частью, в быстро развивающейся области квантовых компьютеров. Я спросил его, почему, и он сказал, что в сфере квантовых компьютеров, в отличие от физики частиц, мы знаем, каковы принципы, мы можем выработать следствия, и мы можем провести эксперименты, чтобы проверить сделанные нами предсказания. Он и я искали место приложения сил, когда физика частиц начала переставать быть быстро развивающейся областью, что в свое время повлекло нас в аспирантуру. Мы оба пришли к заключению, что поворотным пунктом было открытие того, что протон не распадается за то время, которое предсказано теорией великого объединения SU(5). "Я готов был побиться об заклад на свою жизнь – ладно, не на свою жизнь, но ты знаешь, что я имею в виду, – что протон должен распадаться," – так он это определил, – «SU(5) была такой красивой теорией, все встраивалось в нее совершенным образом, – и она оказалась не верной.»

В самом деле, было тяжело переоценить последствия отрицательного результата. SU(5) была самым элегантным из вообразимых способов объединения кварков с лептонами, и она приводила к кодификации свойств стандартной модели в простых терминах. Даже после двадцати пяти лет я все еще нахожу ошеломляющим тот факт, что SU(5) не работает.

Не то, чтобы это было тяжело для нас, теоретиков, выбраться из текущей неудачи. Вы можете просто добавить в теорию несколько симметрий и частиц, так что там будет больше констант для подгонки. С большим количеством подгоночных констант вы можете устроить распад протона столь редким, как вам нравится. Так что вы можете легко защитить теорию от экспериментальной неудачи.

Как упоминалось, ущерб уже нанесен. Мы потеряли шанс наблюдения поразительного и однозначного предсказания глубокой новой идеи. В его простейшей версии великое объединение сделало предсказание относительно темпа распада протона. Если великое объединение верно, но более сложно, так что темп распада протона может быть подогнан ко всему, что нам нравится, теория теряет способность к объяснению. Надежда была в том, что объединение сможет оценить величины констант в стандартной модели. Вместо этого великое объединение, если оно имеет силу, вводит новые константы, которые должны быть заданы руками, чтобы скрыть эффекты, которые не согласуются с экспериментом.

Мы видим здесь иллюстрацию общего урока, описанного ранее. Когда вы объединяете различные частицы и силы, вы рискуете внести в мир нестабильности. Это происходит потому, что появляются новые взаимодействия, через которые объединенные частицы могут преобразовываться друг в друга. Нет способа избежать этих нестабильностей; на самом деле, такие процессы сами по себе являются доказательством объединения. Единственный вопрос в том, работаем ли мы с хорошим случаем – подобным стандартной модели, которая делает недвусмысленные предсказания, которые быстро подтверждаются, – или с неподходящим случаем, в котором мы играем с теорией, чтобы скрыть последствия. Такова дилемма современных теорий унификации.

5. От объединения к суперобъединению


Крах первой из теорий великого объединения вызвал кризис в науке, который продолжается до сегодняшнего дня. До 1970х теория и эксперимент разрабатывались рука об руку. Новые идеи проверялись в течение нескольких лет, самое большее десяти. Каждое десятилетие с 1780х по 1970е демонстрировало значительный прогресс в нашем понимании основ физики, и в каждом продвижении вперед теорию поддерживал эксперимент, но с конца 1970х не было ни одного настоящего прорыва в нашем понимании физики элементарных частиц.

Когда рушится большая идея, есть два пути реакции на это. Вы можете понизить планку и отступить к небольшому приросту науки, медленно исследуя границы знания с помощью новых теоретических и экспериментальных методик. Многие физики, работавшие в области частиц, сделали это. В результате стандартная модель очень хорошо проверена экспериментально. Самая большая побочная находка последней четверти века заключается в том, что нейтрино имеют массу, но это открытие может быть согласовано минимальной подгонкой стандартной модели. Кроме этого не было сделано никаких модификаций.

Другой путь реагирования на крах большой идеи заключается в попытке сделать даже больше нее. Сначала несколько теоретиков, затем растущее их число выбрали эту дорогу. Это дорога, которую нам стоило бы оставить в покое; до сегодняшнего дня ни одна из новых идей не получила никакой экспериментальной поддержки.

Из больших идей, которые были придуманы и изучены за эти годы, одна, которая получила наибольшее внимание, называется суперсимметрией. Если она верна, она станет столь же фундаментальной частью нашего понимания природы, как теория относительности и калибровочный принцип.

Мы видели, что большие унификации находят скрытые взаимосвязи между аспектами природы, которые раньше мыслились различными. Пространство и время исходно были очень разными концепциями; СТО их объединила. Геометрия и гравитация были некогда совсем не связанными; ОТО их объедиила. Но все еще есть два больших класса вещей, которые составляют населяемый нами мир: частицы (кварки, электроны и т. д.), которые составляют вещество, и силы (или поля), с помощью которых они взаимодействуют.

Калибровочный принцип объединил три силы. Но мы все еще остаемся с этими двумя различными сущностями: частицами и полями. Их унификация была целью двух предыдущих попыток, теории эфира и единой теории поля, и каждая провалилась. Суперсимметрия является третьей попыткой.

Квантовая теория говорит, что частицы являются волнами и волны являются частицами, но это на самом деле не приводит к объединению частиц с силами. Причина в том, что в квантовой теории остаются два широких класса элементарных объектов. Они называются фермионами и бозонами.

Все частицы, которые составляют вещество, такие как электроны, протоны и нейтрино, являются фермионами. Все силы состоят из бозонов. Фотон является бозоном, и такими же являются частицы, вроде W и Z частиц, связанные с другими калибровочными полями. Частица Хиггса также бозон. Суперсимметрия предлагает способ объединить эти два больших класса частиц, бозоны и фермионы. И она делает это очень творческим способом, предположив, что каждая известная частица имеет до этого не виданного суперпартнера.

Грубо говоря, суперсимметрия является процессом, при котором вы можете заменить один из фермионов на бозон в некотором эксперименте без изменения вероятностей различных возможных исходов. Это сложно сделать, поскольку фермионы и бозоны имеют очень разные свойства. Фермионы подчиняются принципу запрета (или исключения), найденному Вольфгангом Паули в 1925, который говорит, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. По этой причине все электроны в атоме не сидят на низшей орбитали; раз уж один электрон находится на отдельной орбите или в квантовом состоянии, вы не можете поместить другой электрон в то же состояние. Принцип запрета Паули объясняет многие свойства атомов и материалов. Бозоны, однако, ведут себя противоположным образом: Они любят делить состояния. Когда вы помещаете фотон в определенное квантовое состояние, вы делаете более вероятным, что другой фотон найдет свой путь в это же самое состояние. Это влечение объясняет многие свойства полей, подобных электромагнитному полю.

Так что сначала кажется сумасшедшим, что вы могли бы придумать теорию, в которой вы могли бы заменить бозон на фермион и все еще получить стабильный мир. Но правдоподобно это или нет, четверо русских нашли, что они могли бы записать последовательную теорию именно с такой симметрией, которую мы сегодня называем суперсимметрией. Это были Евгений Лихтман и Юрий Гольфанд в 1971 и Владимир Акулов и Дмитрий Волков в 1972.

В те дни ученые на Западе были явно лишены контактов с учеными в Советском Союзе. Советским ученым только изредка позволялось путешествовать, и им чинились препятствия в публикациях в несоветских журналах. Большинство западных физиков не читали переводы советских журналов, так что в Советском Союзе было несколько открытий, которые не были приняты во внимание на Западе. Открытие суперсимметрии было одним из них.

Так суперсимметричные теории были придуманы еще дважды. В 1973 некоторые их разновидности были открыты двумя европейскими физиками, Джулиусом Вессом и Бруно Зумино. В отличие от русских, их труд был замечен и идеи были быстро развиты. Одна из их новых теорий заключалась в расширении электромагнетизма, в котором фотон объединялся с частицей, весьма похожей на нейтрино. Другое открытие суперсимметрии связано с теорией струн, и мы рассмотрим его детально позже.

Может ли суперсимметрия быть верной? Нет в своей исходной форме, которая постулировала, что для каждого фермиона имеется бозон с той же самой массой и зарядом. Это означает, что должет быть бозон с той же самой массой и зарядом, что и у электрона. Эта частица, существуй она, должна была бы называться сэлектроном или суперэлектроном. Но, если бы она существовала, мы должны были бы уже видеть ее на ускорителях.

Эта проблема, однако, может быть урегулирована через применение идеи спонтанного нарушения симметрии к суперсимметрии. Результат простой. Сэлектрон приобретает большую массу, так что он становится намного тяжелее электрона. Подгоняя свободные константы теории – которых оказывается имеется много – вы можете сделать сэлектрон столь тяжелым, как вам нравится. Но имеется верхний предел того, насколько массивную частицу может произвести любой данный ускоритель частиц. Таким образом, вы можете объяснить, почему сэлектрон еще не был виден ни на одном из существующих ускорителей частиц.

Заметим, что эта история имеет сходные повороты с другими, которые мы описывали. Кто-то постулирует новую унификацию. Имеются большие следствия для эксперимента. К сожалению, эксперимент не соответствует. Тогда ученые усложняют теорию способом, который привлекает несколько подгоночныех констант. Наконец, они подгоняют эти константы, чтобы скрыть ошибочное предсказанное явление, таким образом объясняя, почему унификация, если она верна, не видна ни в одном из наблюдений. Но такое маневрирование делает теорию трудной для фальсификации, поскольку вы всегда можете немедленно объяснить любой отрицательный результат подгонкой констант.

История суперсимметрии является одной из тех, в который с самого начала игра заключалась в сокрытии последствий унификации. Это не означает, что суперсимметрия не имеет силу, но она должна объяснить, почему даже после трех десятилетий интенсивного развития все еще нет недвусмысленных проверяемых предсказаний.

Я могу только представить, как себя чувствуют Весс, Зумино и Акулов (только один из их русских коллег все еще жив). Они могли сделать самое важное открытие своего поколения. Или они могли просто придумать теоретическую игрушку, которая не имеет ничего общего с природой. До сих пор нет подтверждения ни одного из вариантов. В последние тридцать лет первая вещь, которая делалась на любом новом ускорителе элементарных частиц, как только он запускался, был поиск частиц, которые предсказывает суперсимметрия. Ничего не было найдено. Константы просто подгонялись вверх, и мы опять ждем следующего эксперимента.

Сегодня это означает обращение взоров на Большой Адронный Коллайдер (или LHC – Large Hadron Collider), в настоящее время конструирующийся в ЦЕРНе. Если все пойдет по плану, он должен заработать в 2007. Среди физиков, занимающихся частицами, есть великая надежда, что эта машина освободит нас от кризиса. Прежде всего, мы ожидаем LHC, чтобы увидеть частицу Хиггса, массивный бозон, отвечающий за перенос Хиггсова поля. Если этого не произойдет, мы будем в больших неприятностях.

В июне 2007 было официально объявлено о переносе запуска LHC на май 2008. – (прим. перев.)

Но идея с самой высокой ставкой есть суперсимметрия. Если LHC увидит суперсимметрию, определенно будет Нобелевская премия для ее изобретателей. Если нет, это будут дурацкие колпаки – не для тех, для кого нет позора в изобретении нового вида теории, но для всех тех из моего поколения, кто потратил свои карьеры на распространение этой теории.

Так много надежд возлагается на LHC потому, что то, что он найдет, скажет нам очень много об одной из пяти ключевых проблем, отмеченных в главе 1: как объяснить величины свободных констант в стандартной модели. Чтобы увидеть, почему, нам необходимо понять одно очень замечательное свойство этих величин, заключающееся в том, что они или очень велики или очень малы. Один из примеров – дико отличающиеся величины сил. Электрическое отталкивание между двумя протонами сильнее их гравитационного притяжения на гигантский фактор, около 1038. Имеется также гигантская разница в массах частиц. Например, масса электрона составляет 1/1800 массы протона. А бозон Хиггса, если он существует, имеет массу, по меньшей мере, в 120 раз большую, чем протон.

Способом обобщения данных является замечание, что физика частиц кажется скорее иерархической, чем демократической. Четыре силы разбросаны в широком диапазоне величин, формируя иерархию от сильных к слабым, если двигаться от ядерной физики к гравитации. Различные массы в физике также формируют иерархию. На вершине находится планковская масса, которая соответствует энергии (напомним, что масса и энергия на самом деле одна и та же вещь), при которой станут важными эффекты квантовой гравитации. Возможно, в тысячу раз легче планковской массы находится масштаб, при котором должна проявится разница между электромагнетизмом и ядерными силами. Эксперименты проводимые при этой энергии, которая называется масштабом унификации, будут видеть не три силы, а одну единственную силу. Снижаясь дальше по иерархии до 10-16 от планковского месштаба, получаем ТэВ (тера электрон-вольт или 1012 электрон-вольт), энергию, при которой имеет место объединение слабых и электромагнитных сил. Этот масштаб называется масштабом слабого взаимодействия. Это область, в которой мы должны видеть Хиггсов бозон, а также здесь многие теоретики ожидают увидеть суперсимметрию. LHC строится, чтобы исследовать физику именно на этом масштабе. Масса протона составляет 1/1000 от этой величины, снижение еще на фактор 1/1000 приводит нас к электрону, и, возможно, 1/1 000 000 от этой величины составляет масса нейтрино. Далее по пути вниз на дно находится вакуумная энергия, которая существует в пространстве даже в отсутствие вещества.

Все это составляет красивую, но загадочную картину. Почему природа столь иерархична? Почему разница между величинами сильнейшей и слабейшей из сил столь гигантская? Почему массы протонов и электронов так незначительны по сравнению с планковской массой или масштабом унификации? Эта проблема в целом обозначается как проблема иерархии, и мы надеемся, что LHC прольет свет на нее.

Так что мы точно должны увидеть на LHC? Это был центральный вопрос физики частиц со времени триумфа стандартной модели в начале 1970х. Теоретики имели тридцать лет для подготовки ко дню запуска LHC в эксплуатацию. Мы готовы? Со смущением констатируем, что ответ: нет.

Если бы мы были готовы, мы имели бы неотразимые теоретические предсказания того, что увидит LHC, и мы просто ожидали бы подтверждения. Фиксируя все, что мы знаем о физике частиц, стоит удивиться, что тысячи умнейших людей планеты оказались не способны достичь неоспоримых предположений о том, что обнаружит следующий великий экспериментальный скачок. Но, за исключением надежды, что будет обнаружен Хиггсов бозон, мы не имеем ясных недвусмысленных предсказаний.

Вы можете подумать, что в отсутствие консенсуса могли бы быть, по меньшей мере, несколько соперничающих теорий, делающих такие предсказания. Но реальность намного неприятнее. Мы имеем на столе несколько различных предложений по унификации. Все они потенциально до некоторой степени работают, но ни одна не проявляется как однозначно более простая или более способная к предсказаниям, чем другие. Ни одна еще не имеет печати истины. Чтобы объяснить, почему тридцати лет не хватило, чтобы привести наш теоретический дом в порядок, мы должны более близко взглянуть на проблему иерархии. Почему имеется такой гигантский разброс масс и других констант?

Проблема иерархии содержит два вызова. Первый заключается в определении, что устанавливает константы, что делает их отношения большими. Второй заключается в том, как они установились на данном уровне. Эта стабильность удивительна, поскольку квантовая механика имеет странную тенденцию сталкивать все массы вместе в направлении величины планковской массы. Нам здесь не нужно анализировать, почему так, но результат таков, как если бы некоторые действия, которые мы используем, чтобы уменьшить константы, были связаны резиновыми лентами, которые неизменно натягиваются.

Как следствие, мы можем удержать большие отношения констант в стандартной модели, но чтобы сделать это, нам надо точно подобрать константы. Чем больше отношение реальных масс мы хотим иметь, тем более точно мы, теоретики, должны приспособить внутренние массы (массы в отсутствие квантовых эффектов), чтобы удержать их в отдалении. Причем, насколько точно, зависит от видов задействованных частиц.

Массы калибровочных бозонов не являются большой проблемой; симметрия, по существу, предотвращает выталкивание их масс (к большим значениям) резиновыми лентами. И как до, так и после принятия во внимание квантовых эффектов фотон, который является бозоном-переносчиком электромагнитного поля, совсем не имеет массы, так что тут тоже нет проблемы. Также ведут себя составляющие вещества, кварки и лептоны; части их масс, которые происходят от квантовых эффектов, пропорциональны их внутренним массам. Если внутренние массы малы, таковы будут и полные массы. Мы говорим, следовательно, что массы калибровочных бозонов и фермионов защищены.

Проблема связана с незащищенными частицами, под которыми в стандартной модели понимается Хиггс и только Хиггс. Оказывается, что, чтобы защитить массу Хиггса от выталкивания к планковской массе, мы должны настроить константы стандартной модели до ошеломляющей точности: до тридцать второго знака после запятой. Любая неточность в любом месте из этих тридцати двух десятичных разрядов – и Хиггсов бозон окажется намного тяжелее, чем он, как предсказывалось, должен быть.

Задача тогда заключается в укрощении Хиггса – чтобы привести его вниз к тому масштабу, как сказано. Многие из значительных идей, которые физики, занимающиеся частицами, рассматривали с 1975 года, имели целью именно это.

Одним из способов укрощения Хиггса является предположение, что он не является полностью элементарной частицей. Если он сделан из частиц, которые ведут себя менее диким образом, проблема могла бы быть устранена. Имеется несколько предположений, из чего мог бы быть сделан Хиггсов бозон. Самая элегантная и редкая теория предлагает гипотезу, что Хиггсовы бозоны являются связанными состояниями очень тяжелых кварков или лептонов. Не добавляется совсем ничего нового – ни новых частиц, ни новых параметров для настройки. Теория только постулирует, что тяжелые частицы связываются вместе новым способом. Единственной проблемой в этом виде теорий является то, что тяжело проделать вычисления, требуемые для ее проверки и выработки следствий. Это находилось за пределами возможностей нашей технологии, когда это было впервые предложено в 1960, и все еще остается за их пределами.

Следующая из самых элегантных гипотез заключается в том, что Хиггсов бозон сделан из нового вида кварков, отличающихся от тех, из которых построены протоны и нейтроны. Поскольку это вначале казалось «техническим» решением проблемы, это было названо техникварками. Они связаны вместе новым видом силы, сходной с сильным ядерным взаимодействием, которое связывает кварки в протоны и нейтроны. Поскольку силу в квантовой хромодинамике временами называют «цветом», новая сила названа, конечно, техниколор.

Эта идея больше поддается вычислениям. Проблема в том, что тяжело согласовать эту теорию со всеми аспектами наблюдений. Но это не невозможно, поскольку тут имеется много вариантов. Большинство были исключены, несколько остались жизнеспособными.

Третья альтернатива заключается в том, чтобы сделать все элементарные частицы составными частицами. Эта идея была рассмотрена несколькими людьми в конце 1970х. Была попытка рассмотреть естественную вещь: Если протоны и нейтроны сделаны из кварков, то почему надо на этом останавливаться? Возможно, существует дальнейший уровень структуры, на котором кварки, электроны, нейтрино и, возможно, даже Хиггсовы и калибровочные бозоны окажутся сделанными из частиц, которые еще более фундаментальны и которые мы можем назвать преонами. Такие теории работают очень элегантно. Эксперимент к тому времени дал доказательство существования сорока пяти фундаментальных фермионов, и все они могли бы собираться воедино из комбинаций только двух видов преонов.

Более того, эти преонные модели объясняют некоторые свойства, наблюдаемые в природе, но не объясняемые в стандартной модели. Например, кварки имеют два свойства, – цвет и заряд, – которые кажутся не связанными друг с другом. Каждый вид кварка проявляется в трех версиях, именуемых цветами. Эта тройственность обеспечивает симметрию, необходимую для калибровочной теории. Но почему три цвета? Почему не два или четыре? Каждый кварк имеет также электрический заряд, и они складываются из единиц, которые равны 1/3 или 2/3 от заряда электрона. Число 3 возникает в каждом случае, что наводит на мысль,что эти два свойства, цвет и заряд, могли бы иметь общее происхождение. Ни стандартная модель, ни, насколько мне известно, теория струн не обращаются к этому совпадению, но оно очень просто объясняется преонной моделью.

К сожалению, были важные вопросы, на которые преонная теория была не в состоянии ответить. Приходилось иметь дело с неизвестными силами, которые должны были связывать преоны вместе в частицы, которые мы наблюдаем. Задача была удержать наблюдаемые частицы такими малыми, какие они есть, одновременно сохраняя их очень легкими. Поскольку преонные теоретики не смогли решить эту проблему, преонные модели к 1980 скончались. Недавно я разговаривал с хорошо известными физиками, которые получили свои степени доктора философии после этого и никогда даже не слышали о преонах.

Итак, обобщая, попытки сделать Хиггсов бозон составным были не убедительными. Со временем стало казаться, что мы, теоретики, растратили возможности выбора. Если Хиггсов бозон является элементарным, то как его свойства могут быть обузданы?

Одним из способов ограничить свободу частицы является связывание ее поведения с другой частицей, чье поведение заключено в некие пределы. Мы знаем, что калибровочные бозоны и фермионы защищены; их массы не ведут себя диким образом. Может ли здесь быть симметрия, которая связывает Хиггс с частицами, чья масса защищена? Если бы мы смогли сделать это, возможно, Хиггс был бы наконец укрощен. Единственная симметрия, известная, чтобы сделать это, есть суперсимметрия, поскольку суперсимметрия связывает фермионы с бозонами, поэтому в суперсимметричной теории будет фермион, являющийся партнером Хиггса, названный хиггсино. (В теории суперсимметрии есть соглашение, что названия суперпартнеров фермионов начинаются на «с», вроде сэлектрона, тогда как названия суперпартнеров бозонов оканчиваются на «ино».) Поскольку это фермион, масса хиггсино будет защищена от квантового прироста массы. Хорошо, суперсимметрия говорит нам, что два партнера имеют одинаковую массу. Тогда масса Хиггса должна быть тоже защищена.

Эта идея может хорошо объяснить, почему масса Хиггса мала по сравнению с планковской массой. Как указано, эта идея определенно элегантна – но на практике она усложняется.

Прежде всего, теория не может быть частично суперсимметричной. Если одна частица имеет суперпартнера, все остальные тоже должны. Таким образом, каждый кварк выступает с бозонным партнером, скварком. Фотон имеет партнером новый фермион, фотино. Взаимодействия тогда настраиваются так, что если все кварки заменить на скварки в то же самое время, как мы заменим все фотоны на фотино, вероятности различных возможных исходов опытов останутся неизменными.

Конечно, это простейшая возможность. Не могут ли две частицы, которые мы уже наблюдаем, быть партнерами? Возможно, фотон и нейтрино идут вместе? Или Хиггс и электрон? Открытие новых взаимосвязей среди уже известных частиц определенно было бы элегантным – и убедительным.

К сожалению, никто когда-либо успешно не постулировал суперсимметрию, содержащуюся между двумя известными частицами. Вместо этого, во всех суперсимметричных теориях число частиц, по меньшей мере, удваивается. Новый суперпартнер просто постулируется идущим вместе с каждой известной частицей. Там есть не только скварки, слептоны и фотино, там также имеются снейтрино как партнеры нейтрино, хиггсино как партнеры Хиггсов, гравитино, идущие с гравитонами. Каждой твари по паре, обычный Ноев ковчег частиц. Раньше или позже, запутавшись в паутине новых «сназваний» и «обозначино», вы начинаете чувствовать себя подобно клоуну «Сбозо». Или «клоунино» Бозо. Или «скем» бы то ни было еще.

Клоун Бозо – главный персонаж одноименного детского телевизионного шоу, поставленного студией «Ларри Хармон Пикчерс» (США). – (прим. перев.)

К лучшему или к худшему, но природа не похожа на это. Как отмечалось, ни один эксперимент когда-либо не давал доказательств существования сэлектрона. До настоящего времени не показывались ни скварки, ни слептоны, ни снейтрино. Мир содержит гигантское количество фотонов (более миллиарда на каждый протон), но никто никогда не видел даже одного фотино.

Выходом из этого является постулат, что суперсимметрия спонтанно нарушена. Мы обсуждали в главе 4, как происходит спонтанное нарушение симметрии. Спонтанное нарушение может быть распространено и на суперсимметрию. Можно сконструировать теории, которые описывают миры, в которых силы суперсимметричны, но в которых их законы так искусно подогнаны, что низшее энергетическое состояние, – что означает, состояние, в котором симметрия пропадает, – не является суперсимметричным. В результате суперсимметричные партнеры частиц не обязаны иметь те же самые массы, которые имеют частицы.

Это делает теорию уродливой. Чтобы нарушить симметрию, мы добавляем еще больше частиц, аналогичных Хиггсу. Они также требуют суперпартнеров. Возникает еще больше свободных констант, которых можно подогнать, чтобы описать их свойства. Тогда все константы теории подгоняются так, что все эти новые частицы слишком тяжелы, чтобы быть наблюдаемыми.

Применяя это к стандартной модели физики элементарных частиц без дополнительных предположений, получаем новое хитроумное изобретение, именуемое минимальной суперсимметричной стандартной моделью, или МССМ. Как отмечалось в главе 1, оригинальная стандартная модель имеет около 20 свободных констант, которые мы подгоняем руками, чтобы получить предсказания, которые согласуются с экспериментом. МССМ добавляет еще 105 свободных констант. Теоретик свободен подогнать их всех, чтобы обеспечить согласие теории с экспериментом. Если эта теория верна, Бог является технологическим дегенератом. Он из тех парней или девушек, кому нравятся музыкальные системы, в которых так много исполнителей, как это возможно, или парусные шлюпки с 16 различными линями, чтобы регулировать форму каждого паруса.

Конечно, природа может быть похожа на это. Теория имеет потенциал, чтобы разрешить проблему точной настройки. Так что, что вы получаете, увеличив число настроек с 20 до 125, так это то, что ни одна из новых настроек не должна быть столь же точно подогнана, как старые настройки. С таким большим количеством настроек для подгонки теория все еще затруднительна для подтверждения или опровержения экспериментаторами.

Имеется много установок для настроек, для которых суперсимметрия нарушается и каждая частица имеет массу, отличную от массы ее суперпартнера. Чтобы скрыть отсутствие большей половины частиц, мы приспосабливаем настройки таким образом, чтобы все отсутствующие частицы в конечном счете оказались с намного большими массами, чем те, которые мы видим. Вам следует проделать это правильно, ибо если теория предсказывает, что скварки легче кварков, мы будем в неприятностях. Но не надо беспокоиться. Тут, оказывается, есть множество различных способов подгонки настроек, чтобы обеспечить, что все частицы, которых мы не видим, настолько тяжелы, что они к настоящему моменту не видимы.

Если тонкая настройка объяснена, тогда теория должна давать объяснение, почему Хиггсов бозон имеет большую массу, которую, мы думаем, он имеет. Как отмечалось, нет точных предсказаний для массы Хиггса даже в стандартной модели, но она должна быть больше, чем примерно 120 масс протона. Чтобы предсказать это, суперсимметричная теория должны быть так настроена, что на этом масштабе суперсимметрия восстанавливается. Это означает, что отсутствующие суперпартнеры должны иметь массы примерно в этом масштабе, а если так, LHC должен их увидеть.

Многие теоретики ожидают, что это именно то, что LHC увидит – множество новых частиц, которые могут быть интерпретированы как недостающие суперпартнеры. Если LHC это сделает, это, определенно, будет триумфом последних тридцати лет теоретической физики. Однако, я напоминаю вам, что тут нет ясных предсказаний. Даже если МССМ верна, имеется множество других путей настройки ее 125 параметров, чтобы согласовать ее с тем, что в настоящее время известно. Это приводит, по меньшей мере, к дюжине сильно различающихся сценариев, которые делают совершенно разные предсказания о том, что точно увидит LHC.

Но это заботы будущего. Предположим, что LHC произвел новые частицы. Установив, что теория суперсимметрии выступает во множестве различных сценариев, получаем, что даже если суперсимметрия не верна, возможно, что она все еще может быть подстроена, чтобы соответствовать первым наблюдениям LHC. Чтобы подтвердить суперсимметрию, требуется намного больше. Мы откроем множество новых частиц и объясним их. И они могут не все быть суперпартнерами частиц, о которых нам известно. Новые частицы могут быть суперпартнерами еще и других, все еще не видимых новых частиц.

Единственный безупречный путь доказать правильность суперсимметрии будет в демонстрации, что там на самом деле есть симметрия – что означает, что вероятности различных возможных результатов экспериментов не меняются (или меняются определенным, очень ограниченным образом), когда мы заменяем частицу на ее суперпартнера. Но это нечто, что будет нелегко выполнить на LHC, по крайней мере, в начале. Так что даже в лучшем случае пройдет еще весьма много лет, прежде чем мы узнаем, является ли суперсимметрия правильным объяснением для проблемы тонкой настройки.

Между тем, очень многие теоретики кажутся уверенными в суперсимметрии. И тут есть несколько хороших причин думать, что она является усовершенствованием старых идей по унификации. Во-первых, Хиггсов бозон, если он не точечный, не должен быть очень большим. Это благоприятствует суперсимметрии, хотя исключается некоторыми (если не всеми) теориями техниколора. Имеется также аргумент, который вытекает из идеи великого объединения. Как мы обсуждали ранее, эксперименты, проводимые на (энергетическом) масштабе унификации, не должны показать различие между электромагнитными и ядерными силами. Стандартная модель предсказывает этот вид объединяющего масштаба, но требует небольших подгонок. Суперсимметричная версия задает унификацию более непосредственно.

Суперсимметрия, определенно, является очень убедительной теоретической идеей. Идея унификации сил и вещества предлагает разрешение глубочайшей дуальности в фундаментальной физике. Не удивительно, что так много теоретиков не могут себе представить, что мир не суперсимметричен.

В то же время, некоторые физики озабочены, что суперсимметрия, если она есть, должна была бы уже быть видна в эксперименте. Вот достаточно типичная выдержка из введения к недавней статье: "Другая проблема возникает из того факта, что LEP II (большой электронно-позитронный ускоритель, также в ЦЕРНе) не открыл суперчастиц или Хиггсова бозона."[26] Пол Фрэмптон, известный теоретик из Университета Северной Каролины, недавно написал мне:

"Одно общее наблюдение, которое я сделал за последние десять лет или больше, заключается в том, что большинство исследователей (имеется несколько исключений), работающие над феноменологией нарушения суперсимметрии на масштабе ТэВ, думают что вероятность того, что суперсимметрия на масштабе ТэВ будет обнаружена в эксперименте, намного меньше 50 процентов, оценка 5 процентов является вполне типичной."[27]

Мое собственное предположение о том, что заслуживает внимания, заключается в том (по меньшей мере, в изучавшейся до настоящего времени форме), что суперсимметрия не объяснит наблюдения на LHC. В любом случае суперсимметрия разрешима экспериментом, и, каковы бы ни были наши эстетические предпочтения, мы все будем заинтригованы получением ответа на вопрос, является ли она правильной картиной природы или нет.

Но даже если суперсимметрия будет обнаружена, она сама по себе не будет решением ни одной из пяти больших проблем, которые я перечислил в главе 1. Константы стандартной модели не будут объяснены, поскольку МССМ имеет намного больше свободных констант. Возможные выборы квантовой теории гравитации не будут сокращены, поскольку все ведущие теории совместимы с мирами, являющимися суперсимметричными. Может быть, что темная материя состоит из суперпартнеров, но нам потребуется подтвердить это непосредственно.

Причина этой большой недостаточности в том, что, хотя суперсимметричные теории имеют намного больше симметрии, они не проще. Фактически, они намного более сложны, чем теории с меньшей симметрией. Они не уменьшают количество свободных констант – они его решительно увеличивают. И они не способны объединить никакие две вещи, о которых мы уже знаем. Суперсимметрия была бы абсолютно убедительна, – как убедительно маквселловское объединение электричества и магнетизма, – если бы она открыла глубокую общность между двумя известными вещами. Скажем, если фотон и электрон оказались бы суперпартнерами или даже нейтрино и Хиггс, это было бы фантастикой.

Но это не то, что делает любая из суперсимметричных теорий. Вместо этого они постулируют целый новый набор частиц и делают каждую частицу симметричной либо с известной частицей, либо с другой неизвестной частицей. Этот вид теоретического достижения далеко не слишком прост. Придумать целый новый мир неизвестного, а затем сделать теорию с многими параметрами – параметрами, которые могут быть подогнаны, чтобы скрыть всю новую материю, – это не очень впечатляет, даже если технически побуждает справиться с задачей. Это вид теоретизирования, который не может потерпеть неудачу, поскольку любое расхождение с существующими данными можно устранить тонкой настройкой некоторых констант. Он может рухнуть только тогда, когда столкнется с экспериментом.

Конечно, ничто из этого не означает, что суперсимметрия не реальна. Она может существовать, и, если это так, есть шанс, что она будет открыта в следующие несколько лет на LHC. Но факт, что суперсимметрия не делает всего того, чего мы ожидали, наводит на мысль, что ее сторонники высиживают выход из положения на ветке далеко от прочного ствола эмпирической науки. Возможно, что стоит поискать место для сверления там, где, как говорил Эйнштейн, дерево более тонкое.

6. Квантовая гравитация: развилка на дороге


В то время, как большинство физиков игнорировали гравитацию, несколько отважных личностей в 1930х начали думать о примирении ее с быстро развивающейся квантовой механикой. В течение более полстолетия в области квантовой гравитации работало не более горстки первопроходцев и несколько человек уделяли ей некоторое внимание. Но проблема квантовой гравитации не могла быть проигнорирована навсегда. Из пяти вопросов, которые я описывал в первой главе, это первый, который не мог быть отпущен нерешенным. В отличие от остальных, поиски решения этого вопроса нужно рассматривать не менее, чем поиски языка, на котором записаны законы природы. Пытаться решить любую из оставшихся проблем, не решив эту, все равно, что пытаться обсуждать условия контракта в стране, где нет закона.

Поиск квантовой гравитации является правильным поиском. Пионеры этого дела были разведчиками в новом ландшафте идей и возможных миров. Теперь этим занимаются многие из нас, и некоторая часть ландшафта хорошо картографирована. Некоторые тропинки были исследованы, но привели только к тупикам. И хотя некоторые еще освещаются, а на нескольких даже стало тесно, мы до сих пор не можем сказать, что проблема решена.

Большая часть этой книги была написана в 2005, в столетнюю годовщину первого великого достижения Эйнштейна. Год был заполнен конференциями и событиями, отмечающими юбилей. Это был столь же хороший повод привлечения внимания к физике, как и любой другой, но это было не без иронии. Некоторые из открытий Эйнштейна были столь радикальны, что даже сегодня они недостаточно оценены большинством физиков-теоретиков, но ведущим среди них является достигнутое им понимание пространства и времени в ОТО.

Главный урок ОТО в том, что геометрия пространства не фиксирована. Она динамически эволюционирует, изменяясь во времени, когда материя движется туда и сюда. Имеются даже волны – гравитационные волны, – которые путешествуют через геометрию пространства. До Эйнштейна законы евклидовой геометрии, которые мы изучали в школе, рассматривались как вечные законы: всегда было и всегда будет верным, что углы треугольника складываются к 180 градусам. Но в ОТО углы треугольника могут складываться к чему угодно, поскольку геометрия пространства может искривляться.

Это не означает, что имеется некоторая другая фиксированная геометрия, которая характеризует пространство, – что пространство подобно сфере или седловой поверхности вместо плоскости. Суть в том, что геометрия может быть совершенно любой, поскольку она изменяется во времени, реагируя на материю и силы. Вместо закона, который устанавливает, какова геометрия, имеется закон, который устанавливает, как геометрия изменяется, – точно так же, как ньютоновские законы говорят нам не о том, где находятся объекты, а о том, как они двигаются, определяя, как силы влияют на их движение.

До Эйнштейна геометрия мыслилась как часть законов. Эйнштейн обнаружил, что геометрия пространства эволюционирует во времени в соответствии с другими, более глубокими законами.

Важно полностью осознать этот момент. Геометрия пространства не является частью законов природы. Следовательно, в этих законах нет ничего, что устанавливает, какой является геометрия пространства. Таким образом, прежде, чем решать уравнения ОТО Эйнштейна, вы не имеете никакой идеи о том, какова геометрия пространства. Вы найдете ее только после того, как решите эти уравнения.

Это означает, что законы природы должны быть выражены в форме, которая не предполагает, что пространство имеет любую фиксированную геометрию. В этом суть эйнштейновского урока. Мы оформили это в принцип, который описали ранее: независимость от фона. Принцип устанавливает, что законы природы могут быть полностью определены без любого предварительного предположения о геометрии пространства. В старой картине, где геометрия была фиксирована, она должна была мыслиться как часть фона, неизменной сцены, на которой разворачивается спектакль природы. Сказать, что законы физики не зависят от фона, означает, что геометрия пространства не фиксирована, а эволюционирует. Пространство и время появляются из законов, вместо того, чтобы обеспечивать арену, на которой происходят вещи.

Другой аспект независимости от фона состоит в том, что нет предпочтительного времени. ОТО описывает историю мира более фундаментально, в терминах событий и соотношений между ними. Главные соотношения должны действовать вместе с причинностью; одно событие может быть в цепочке причин, приводя к другому событию. С этой точки зрения пространство является вторичной концепцией. Концепция пространства, фактически, полностью зависит от понятия времени. Задавая часы, мы можем думать обо всех событиях, которые одновременны с отбиванием часами полдня. Они и составляют пространство.

Важный аспект ОТО в том, что там нет предпочтительного способа отсчета времени. Любой сорт часов подойдет, пока они показывают причины, предшествующие следствиям. Но, поскольку определение пространства зависит от времени, имеется так же много различных определений пространства, как и времени. Только что выше я говорил о геометрии пространства, эволюционирующей во времени. Это сохраняется не для отдельного универсального понятия времени, а для любого возможного понятия времени. То, как все это работает, является частью замысловатой красоты эйнштейновской ОТО. Для наших целей достаточно будет помнить, что уравнения этой теории говорят нам, как геометрия пространства эволюционирует во времени не только для одного, но для любого возможного определения времени.

На самом деле, независимость от фона означает даже больше, чем это. Имеются другие аспекты природы, которые фиксируются в обычных выражениях законов физики. Но, возможно, их не должно быть. Например, факт, что имеется только три измерения пространства, является частью фона. Может ли существовать более глубокая теория, в которой мы не делаем заранее никаких предположений о числе пространственных измерений? В такой теории три измерения могут возникать как решение некоторого динамического закона. Вероятно, в такой теории число пространственных измерений может даже меняться во времени. Если бы мы смогли придумать такую теорию, она смогла бы объяснить нам, почему наша вселенная имеет три измерения. Это бы составило прогресс: объяснить в конце концов нечто, что ранее просто предполагалось.

Так что идея независимости от фона в ее наиболее широком выражении является частью мудрости действия физики: Делать более лучшие теории, в которых вещи, которые сегодня предполагаются, объясняются путем позволения таким вещам эволюционировать, подчиняясь некоторому новому закону. Эйнштейновская ОТО сделала для геометрии пространства в точности это.

Ключевой вопрос квантовой теории гравитации тогда следующий: можем ли мы распространить на квантовую теорию принцип, что пространство не имеет фиксированной геометрии? То есть, можем ли мы сделать квантовую теорию не зависящей от фона, по меньшей мере, по отношению к геометрии пространства? Если мы сможем это сделать, мы автоматически свяжем гравитацию и квантовую теорию, поскольку гравитация уже понимается как аспект динамической геометрии пространства-времени.

Тогда имеется два подхода к соединению гравитации и квантовой теории: тот, который достигает фоновой независимости, и тот, который нет. Поле квантовой гравитации разделилось вдоль этих линий давным давно, в 1930х, хотя большинство изучаемых сегодня подходов является фоново-независимыми. Единственное исключение составляет подход, который исследуют большинство сегодняшних физиков, – теория струн.

Как случилось, что высочайшее достижение самого знаменитого ученого двадцатого столетия было фактически проигнорировано большинством тех, кто шумно следовал по его стопам, есть одна из наиболее странных историй в истории науки. Эта история должна быть тут обсуждена, поскольку она является центральной для вопросов, которые я поднял во Введении. В самом деле, вы можете удивиться: если ОТО Эйнштейна так хорошо принята, почему кто-то пытается развивать новую теорию, которая не берет на борт ее центральный принцип? Ответ является целой историей, и, подобно многим историям в этой книге, она начинается с Эйнштейна.

Уже в 1916 Эйнштейн осознал, что имеются гравитационные волны и что они переносят энергию. Он тотчас же заметил, что согласование с атомной физикой потребует, чтобы энергия, переносимая гравитационными волнами, была описана в терминах квантовой теории. В самой первой статье, когда-либо написанной по гравитационным волнам, Эйнштейн сказал, что "кажется, что квантовая теория должна будет модифицировать не только теорию электромагнетизма Максвелла, но и новую теорию гравитации."[28]

Тем не менее, несмотря на то, что Эйнштейн был первым, кто поставил проблему квантовой гравитации, его глубокое прозрение было проигнорировано большинством из тех, кто с тех пор над ней работал. Как такое могло быть?

Тут есть причина, и она в том, что никто в то время не знал, как подойти к непосредственному применению развивающейся тогда квантовой теории к ОТО. Вместо этого, прогресс оказался возможным по непрямому маршруту. Те, кто хотел применить квантовую механику к ОТО, встали перед двумя проблемами. Исключая независимость от фона, они споткнулись о факт, что ОТО является полевой теорией. Имеется бесконечное число возможностей для геометрии пространства, а поэтому и бесконечное число переменных.

Как я описывал в главе 4, как только квантовая механика была полностью сформулирована, физики начали применять ее к полевым теориям, таким как теория электромагнитного поля. Они и формулировались в фиксированном пространственно-временном фоне, так что проблема независимости от фона не возникала. Но они дали физикам опыт оперирования с проблемой бесконечного количества переменных.

Первым большим успехом квантовой теории поля была квантовая электродинамика (КЭД), объединение максвелловской теории электромагнетизма с квантовой теорией. Примечательно, что в их первой статье по КЭД в 1929 Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, два основателя квантовой механики, уже продумывали расширение своей работы на квантовую гравитацию. Они, очевидно, чувствовали, что это будет не слишком сложно, поскольку они написали, что "квантование гравитационного поля, которое кажется необходимым по физическим причинам, может быть проведено без каких-либо новых сложностей посредством формализма, полностью аналогичного использованному здесь."[29]

Более чем семьдесят пять лет спустя, мы можем только удивиться степени, до которой эти два выдающихся человека недооценили сложность проблемы. Но о чем они могли бы думать? Ну, я знаю, поскольку с той поры многие люди имели те же мысли, и тупик, в который они приводят, был тщательно исследован.

Гейзенберг и Паули думали, что когда гравитационные волны очень слабые, их можно рассматривать как мелкую рябь, возмущающую фиксированную геометрию. Если вы бросите камень в пруд тихим утром, это вызовет мельчайшую рябь, которая едва нарушит плоскую поверхность воды, так что легко подумать, что рябь движется по фиксированому фону, заданному этой поверхностью. Но когда водяные волны сильные и бурные, как вблизи пляжа в штормовой день, не имеет смысла рассматривать их как возмущение чего-то фиксированного.

ОТО предсказывает, что во вселенной имеются регионы, где геометрия пространства-времени эволюционирует бурно, подобно волнам, обрушивающимся на пляж. Но Гейзенберг и Паули думали, что будет проще сначала изучить случай, в котором гравитационные волны экстремально слабые и могут рассматриваться как мелкая рябь на фиксированном фоне. Это позволило им применить те же самые методы, которые они разработали, чтобы изучить квантовые электромагнитные поля, двигающиеся на фиксированном фоне пространства-времени. И, фактически, было нетрудно применить квантовую механику к свободно двигающимся очень слабым гравитационным волнам. Результат был такой, что каждая гравитационная волна может быть рассмотрена квантовомеханически как частица, именуемая гравитоном, – аналог фотона, который является квантом электромагнитного поля. Но на следующем этапе они столкнулись с большой проблемой, поскольку гравитационные волны взаимодействуют друг с другом. Они взаимодействуют со всем, что имеет энергию, и они сами переносят энергию. Эта проблема не возникает с электромагнитными волнами, поскольку, хотя фотоны взаимодействуют с электрическими и магнитными зарядами, сами они не заряжены, так что они проходят прямо друг сквозь друга. Эту важную разницу между двумя видами волн Гейзенберг и Паули упустили.

Последовательное описание самодействия гравитонов оказалось крепким орешком. Теперь мы понимаем, что неудача в решении этой проблемы является следствием того, что не принимался всерьез эйнштейновский принцип независимости от фона. Раз уж гравитационные волны взаимодействуют друг с другом, они не могут больше рассматриваться как двигающиеся на фиксированном фоне. Они изменяют фон, когда путешествуют по нему.

Несколько людей поняли это уже в 1930е. Вероятно, первой диссертацией на степень доктора философии из когда-либо написанных по проблеме квантовой гравитации была диссертация русского физика Матвея Петровича Бронштейна в 1935. Те, кто вспоминал его, думали о нем как об одном из двух самых выдающихся советских физиков его поколения. Он писал в 1936 в статье, что «устранение... логических противоречий требует... отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями.» Затем он сослался на немецкую поговорку: "Пусть сомневающийся платит талер."[30] Взгляды Бронштейна поддержал молодой выдающийся французский физик Жак Соломон.

К настоящему времени почти любой, кто серьезно думал о квантовой гравитации, согласен с Бронштейном, но на это потребовалось семьдесят лет. Одна из причин в том, что даже такие блестящие умы как Бронштейн и Соломон не смогли уберечься от безумия своего времени. Годом позже после написания Бронштейном статьи, которую я только что процитировал, он был арестован НКВД, а затем казнен расстрельной командой 18 февраля 1938. Соломон стал членом французского Сопротивления и был убит немцами 23 мая 1942. Их идеи были потеряны для истории. Я работал над проблемой квантовой гравитации всю мою жизнь, но я изучил эти идеи только тогда, когда заканчивал эту книгу.

Работа Бронштейна была забыта, и большинство физиков вернулись к изучению квантовой теории поля. Как я описывал в главе 4, потребовалось время до конца 1940х, чтобы КЭД была разработана. Этот успех затем побудил нескольких людей еще раз поднять проблему объединения гравитации с квантовой теорией. Сразу же возникли два противоположных лагеря. Один из них следовал Бронштейну, принимая всерьез фоновую независимость ОТО. Другой игнорировал независимость от фона и следовал маршруту Гейзенберга и Паули в их попытках применить квантовую теорию к гравитационным волнам, рассматривая их движущимися на фиксированном фоне.

Поскольку независимость от фона является одним из принципов ОТО, кажется осмысленным включить ее в попытки объединить эту теорию с квантовой теорией. Но, как оказалось, вещи не так просты. Некоторые люди – подобные британскому физику П.А.М. Дираку и немцу Петеру Бергманну, который начинал свою карьеру в качестве ассистента Эйнштейна в Принстоне, – попытались сконструировать фоново-независимую теорию квантовой гравитации. Они нашли ее трудной задачей. Такие попытки не приносили плодов вплоть до середины 1980х, но с тех пор достигнут большой прогресс в понимании квантовой гравитации с фоново-независимой точки зрения. Большинство теоретиков по квантовой гравитации сегодня работают в одном из нескольких независимых от фона подходов. Мы вернемся к ним в книге позже, ибо они составляют наиболее важные альтернативы теории струн.

Но ни один из этих многообещающих знаков не был очевиден, когда люди стартовали вдоль дороги квантовой гравитации в 1950х. Ограниченный прогресс, достигнутый с использованием независимых от фона методов, выглядел ничтожным по сравнению с великими шагами, которые были сделаны в КЭД. Так что до конца 1980х большинство людей выбрали другой маршрут, который заключался в попытках применить методы КЭД к ОТО. Это, наверное, можно было понять. После формулирования КЭД люди узнали много о фоново-зависимых квантовых теориях, но ни один не знал хоть что-нибудь о том, на что может быть похожа фоново-независимая квантовая теория, если она вообще существует.

Поскольку это был маршрут, который привел к теории струн, стоит проследовать вдоль него. Поскольку работы из 1930х были забыты, их стоило открыть заново. Теория гравитонов была выработана повторно в диссертации на доктора философии Брюсом ДеВиттом, который был студентом Джулиана Швингера в Гарварде в конце 1940х. Благодаря этому и множеству его последующих открытий мы относимся к ДеВитту, как к одному из основателей теории квантовой гравитации.

Но, как отмечалось, теории гравитона было недостаточно. Теория гравитона прекрасна, пока гравитоны просто двигаются через пространство, но если это все, что они делают, нет гравитации и, определенно, нет динамической и искривленной геометрии. Так что это была не унификация ОТО или гравитации с квантовой теорией, а просто унификация слабых гравитационных волн с квантовой теорией. Проблемы с теорией гравитонов снова всплыли в начале 1950х, как только люди снова начали изучать, как они могут взаимодействовать друг с другом. С тех пор и до начала 1980х было потрачено много трудов на эту проблему самодействия, чтобы удержать ее от несовместимости с принципами квантовой теории. Ни один из этих трудов не достиг успеха.

Может быть, полезно было бы остановиться и подумать о том, что это означает в человеческих выражениях. Мы говорим о тридцати годах непрерывной тяжелой работы, содержащей много сложных вычислений. Представьте, что вы платите подоходный налог каждый день все дни в течение недели и все еще не получили расчеты, чтобы непротиворечиво согласовать сумму. Где-то вы сделали ошибку, но вы не можете найти, где. Теперь представьте, что месяц прошел таким образом. Сможете вы растянуть его до года? Теперь представьте двадцать лет. Теперь представьте, что имеется пара дюжин людей во всем мире, проводящих время подобно вам. Некоторые друзья, некоторые конкуренты. Все они имеют свои собственные схемы того, как делать их работу. Каждая схема до настоящего времени приводила к неудаче, но если вы попытаетесь слегка изменить подход или объединить два подхода, возможно, вы достигнете успеха. Один раз или дважды в год вы приезжаете на международную конференцию, где вы можете представить свою новую схему другим фанатикам. Такой была область квантовой гравитации до 1984.

Ричард Фейнман был одним из первых, кто атаковал указанную проблему гравитона. А почему нет? Он сделал такую хорошую работу в КЭД, почему он не должен применить те же методы к квантовой гравитации? Так в начале 1960х он провел несколько месяцев вне физики частиц, чтобы посмотреть, не сможет ли он проквантовать гравитацию. Чтобы дать вам представление о том, что затем вынес на берег прилив квантовой гравитации, приведем письмо Фейнмана, которое он написал своей жене в 1962 о собрании в Варшаве, где он представил свою работу:

"Я не получил ничего от этой встречи. Я ничему не научился. Поскольку тут нет экспериментов, эта область не относится к активным, так что немногие из лучших людей трудятся в ней. В результате имеются толпы присосавшихся здесь... и это не есть хорошо для моего кровяного давления. Напомни мне больше не ходить ни на какие гравитационные конференции."[31]

Тем не менее, он сделал хороший прогресс и весьма прояснил техническую проблему, связанную с вероятностями, которые представляют собой числа между 0 и 1. Обо всем, что определенно происходит, говорят как об имеющем вероятность 1, так что вероятность того, что что-нибудь вообще произойдет, равна 1. До того, как Фейнман сделал свою работу, никто не мог сделать вероятности того, что различные вещи произойдут в квантовой гравитации, сходящимися к 1. На самом деле, Фейнман сделал вероятности сходящимися только на первом уровне приближения; несколькими годами позже Брюс ДеВитт понял, как сделать, чтобы это работало на всех уровнях. Годом или около того позже то же самое поняли двое русских, Людвиг Дмитриевич Фаддеев и Виктор Николаевич Попов. Они не могли знать работу ДеВитта, поскольку журнал послал его статью экспертам для отзыва, и рецензентам потребовалось больше года, чтобы внимательно изучить ее. Так кусочек за кусочком люди решали некоторые проблемы, – но, даже если вероятности могут быть сделаны сходящимися к 1, теория гравитона как целое никогда не работала.

Имелась некоторая сторона, свидетельствующая в пользу этого труда. Тот же метод мог быть применен к теориям Янга-Миллса, на которых была основана стандартная модель. Так что со временем Стивен Вайнберг и Абдус Салам использовали эти теории, чтобы объединить слабое и электромагнитное взаимодействия, технология использовалась вместо реальных вычислений. Результаты оказались лучше, чем в квантовой гравитации. Как, наконец, доказал в 1971 датский теоретик Герард т'Хоофт, теории Янга-Миллса являются полностью осмысленными как квантовые теории. На самом деле т'Хоофт, как и другие до него, изучал теорию Янга-Миллса отчасти для разогрева перед атакой на проблему квантовой гравитации. Так что тридцать лет работ над квантовой гравитацией не были полностью растраченными усилиями; по меньшей мере, это позволило нам сделать осмысленную физику частиц.

Но осталась неупокоенной сама квантовая гравитация. Люди использовали все сорта методов аппроксимации. Поскольку стандартная модель физики частиц была сделана осмысленной, для доказательства ее различных свойств было разработано много методов. Один за одним, каждый из них был применен к проблеме квантовой гравитации. Каждый потерпел неудачу. Не имеет значения, как вы организовали квантовую теорию гравитационных волн, как только вы принимаете за факт, что они взаимодействуют друг с другом, поднимают свою голову бесконечные величины. Не имеет значения, как вы обходили проблему стороной, бесконечности не укрощаются. Много лет работы, множество статей, множество диссертаций на звание доктора философии, множество презентаций на конференциях. Та же самая ситуация. Итог заключался в том, что к 1974 стало ясно, что зависимый от фона подход к объединению ОТО с квантовой теорией не имеет смысла.

Имелась, однако, одна вещь, которую можно было бы сделать с фоново-зависимыми методами. Вместо того, чтобы пытаться проквантовать гравитацию и, тем самым, понять влияние, которое квантовая теория имеет на гравитационные волны, мы могли бы перевернуть проблему и спросить, какое влияние гравитация может оказывать на квантовые явления. Чтобы сделать это, мы могли бы изучить движение квантовых частиц в пространствах-временах, где гравитация важна, таких как черные дыры или расширяющаяся вселенная. Начавшись в 1960х, в этом направлении был достигнут большой прогресс. Это важное направление, поскольку некоторые открытия приводят к загадкам, на решение которых направлены более поздние подходы, такие как теория струн.

Первым успехом было предсказание, что когда гравитационное поле быстро меняется во времени, должны рождаться элементарные частицы. Эта идея смогла быть применена к ранней вселенной, когда она быстро расширялась, и привела к предсказаниям, которые используются по сей день в изучении ранней вселенной.

Успех этих вычислений побудил нескольких физиков попытаться сделать нечто более тяжелое, которое заключалось в изучении влияния, которое черная дыра может оказывать на квантовые частицы или поля. Проблема здесь в том, что, хотя черные дыры имеют область, где геометрия очень быстро эволюционирует, эта область скрыта за горизонтом. Горизонт представляет собой саван для света, который стоит на месте. Он отмечает границу региона, в пределах которого весь свет втягивается вовнутрь, по направлению к центру черной дыры. Так что никакой свет не может спастись из-под горизонта. Снаружи черная дыра кажется статической, но именно внутри ее горизонта есть регион, по направлению к которому все втягивается все более и более сильными гравитационными полями. Они заканчиваются в сингулярности, где все бесконечно и время останавливается.

Первый значительный результат соединения квантовой теории с черными дырами был получен в 1973 Якобом Бекенштейном, молодым израильским аспирантом Джона Арчибальда Уилера в Принстоне. Он сделал ошеломляющее открытие, что черные дыры обладают энтропией. Энтропия есть мера беспорядка, и имеется известный закон, именуемый вторым законом термодинамики, устанавливающий, что энтропия замкнутой системы никогда не может уменьшаться. Бекенштейн озаботился вопросом, что если он взял ящик, заполненный горячим газом, – который должен был иметь много энтропии, поскольку движение молекул газа было хаотическим и неупорядоченным, – и сбросил его в черную дыру, энтропия вселенной будет казаться уменьшившейся, поскольку газ никогда не сможет быть восстановленным. Чтобы сохранить второй закон, Бекенштейн предположил, что черная дыра должна сама иметь энтропию, которая должна была повыситься, когда на нее упал ящик газа, так что полная энтропия вселенной никогда не будет уменьшаться. Обработав несколько простых примеров, он смог показать, что энтропия черной дыры должна быть пропорциональна площади окружающего ее горизонта.

Это приводит к загадке. Энтропия есть мера хаотичности, а хаотическое движение есть теплота. Так что же, черная дыра должна иметь также и температуру? Годом позже, в 1974, Стивен Хокинг смог показать, что черная дыра на самом деле должна иметь температуру. Он также смог установить точный коэффициент пропорциональности между площадью горизонта черной дыры и ее энтропией.

Есть и другая сторона предсказанной Хокингом температуры черных дыр, которая будет важна для нас позднее, и которая заключается в том, что температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе. Это означает, что черные дыры ведут себя не так, как привычные объекты. Чтобы нагреть большинство вещей, вы должны подвести к ним энергию. Мы снабжаем огонь топливом. Черные дыры ведут себя противоположным образом. Если вы вводите в нее энергию или массу, вы делаете черную дыру более массивной – и она охлаждается.[32]

Эта головоломка с тех пор бросает вызов каждой попытке создать квантовую теорию гравитации: как мы можем объяснить температуру и энтропию черных дыр из первых принципов? Бекенштейн и Хокинг трактовали черную дыру как классический фиксированный фон, внутри которого двигались квантовые частицы, и их аргументы базировались на состоятельности известных законов. Они не описывали черную дыру как квантовомеханическую систему, поскольку это может быть сделано только в квантовой теории пространства-времени. Так что для любой квантовой теории гравитации является вызовом необходимость дать более глубокое понимание энтропии Бекенштейна и температуры Хокинга.

В следующем году Хокинг нашел еще одну загадку, прятавшуюся в указанных результатах. Поскольку черная дыра имеет температуру, она будет излучать как горячее тело. Но излучение уносит энергию от черной дыры. После достаточного количества времени вся масса черной дыры перейдет в радиацию. Раз она теряет энергию, черная дыра становится легче. И вследствие только что обсужденного мной свойства, когда она теряет массу, она нагревается, так что излучает быстрее и быстрее. В конце этого процесса черная дыра уменьшится до планковской массы, и потребуется квантовая теория гравитации, чтобы предсказать окончательную судьбу черной дыры.

Но какова бы ни была ее окончательная судьба, возникает загадка относительно судьбы информации. В течение жизни черной дыры она втягивает гигантское количество вещества, переносящего гигантское количество внутренней информации. В конце же все, что останется, это много горячей радиации, – которая, будучи хаотичной, не переносит информации совсем, – и микроскопическая черная дыра. Информация просто исчезла?

Это проблема для квантовой гравитации, поскольку в квантовой механике имеется закон, который говорит, что информация никогда не может быть разрушена. Квантовое описание мира предполагается точным, а отсюда вытекает, что, когда все детали приняты во внимание, информация не может быть потеряна. Хокинг сделал сильное утверждение, что испаряющаяся черная дыра теряет информацию. Это кажется противоречащим квантовой теории, так что он назвал это утверждение информационным парадоксом черной дыры. Любая предполагаемая квантовая теория гравитации нуждается в его разрешении.

Эти открытия 1970х были контрольными точками на пути к квантовой теории гравитации. С тех пор мы измеряли успех подхода к квантовой гравитации частично тем, насколько хорошо он отвечает на заданные вопросы по энтропии, температуре и потере информации в черных дырах.

Примерно в это время была, наконец, предложена идея по поводу квантовой гравитации, которая, кажется, работает, по меньшей мере, временами. Она привлекла использование идеи суперсимметрии к гравитации. В результате появилась супергравитация.

Я присутствовал на одной из первых презентаций, когда-либо дававшихся по этой новой теории. Это была конференция в 1975 в Цинциннати по развитию ОТО. Я был все еще студентом в Хэмпширском колледже, но я ходил всюду, надеясь узнать, о чем люди думали. Я помню некоторые прекрасные лекции Роберта Героха из Чикагского университета, который был тогда звездой в области математики бесконечных пространств. Он получил продолжительные овации за одну особенно элегантную демонстрацию. Тогда же было задвинутое в самый конец коференции сообщение молодого постдока по имени Петер ван Ньювенхёйзен. Я вспоминаю, что он изрядно нервничал. Он начал со слов, что он находится здесь, чтобы ввести качественно новую теорию гравитации. Он полностью завладел моим вниманием.

Ван Ньювенхёйзен сказал, что эта новая теория основана на суперсимметрии, тогда новой еще идее по унификации бозонов и фермионов. Частицы, которые мы получаем из квантования гравитационных волн, называются гравитонами, и они являются бозонами. Но для суперсимметричной системы должны быть как бозоны, так и фермионы. ОТО не имеет фермионов, так что новые фермионы должны быть гипотетически суперпартнерами гравитонов. «Сгравитон» не легкое для произношения слово, так что они были названы гравитино.

Поскольку гравитино никогда не наблюдались, он сказал, что мы свободны в придумывании законов, которым они удовлетворяют. Для теории, которая симметрична относительно суперсимметрии, силы не должны изменяться, когда гравитино заменяются на гравитоны. Это устанавливает много ограничений на законы, и поиск решений с такими ограничениями требует недель кропотливых вычислений. Две команды исследователей финишировали почти одновременно. Ван Ньювенхёйзен был частью одной из этих команд; другая включала моего будущего консультанта в Гарварде Стэнли Дезера, который работал с одним из открывателей суперсимметрии, Бруно Зумино.

Ван Ньювенхёйзен также говорил о более глубоком способе подумать о теории. Мы начинаем с размышлений о симметриях пространства и времени. Свойства обычного пространства остаются неизменными, если мы вращаемся, поскольку в нем нет предпочтительного направления. Они также остаются неизменными, если мы движемся от места к месту, поскольку геометрия пространства однородна. Таким образом, трансляции и вращения являются симметриями пространства. Вспомним, что в главе 4 я объяснял калибровочный принцип, который устанавливает, что при некоторых обстоятельствах симметрия может диктовать законы, которым удовлетворяют силы. Вы можете применить этот принцип к симметриям пространства и времени. Результатом будет в точности ОТО Эйнштейна. Это не тот путь, каким Эйнштейн нашел свою теорию, но если бы Эйнштейна не существовало, этим путем ОТО могла бы быть найдена.

Ван Ньювенхёйзен объяснил, что суперсимметрия может рассматриваться как углубление симметрий пространства. Это происходит вследствие глубокого и красивого свойства: Если вы заменяете все фермионы на бозоны, а затем заменяете их назад, вы получаете тот же самый мир, который был до замены, но со всеми вещами, сдвинутыми на маленький кусочек в пространстве. Я не могу здесь объяснить, почему это верно, но это говорит нам, что суперсимметрия некоторым образом фундаментально связана с геометрией пространства. Как следствие, если вы примените калибровочный принцип к суперсимметрии, вы получите теорию гравитации – супергравитацию. С этой точки зрения супергравитация значительно глубже ОТО.

Я был новобранцем в этой области, заглянувшим на конференцию. Я не знал здесь никого, так что я не знал, что слушатели ван Ньювенхёйзена думают о том, что он сказал, но я был глубоко впечатлен. Я шел домой, думая, что это была хорошая вещь, что парень был таким взволнованным, ибо, если то, что он сказал, было верным, это должно быть на самом деле важным.

Во время моего первого года аспирантуры я, конечно, разговаривал со Стэнли Дезером, который читал лекции о новой теории супергравитации. Мне было интересно, и я начал думать о ней, но я был озадачен. Что это все означало? О чем это пыталось нам сказать? У меня появился новый друг, однокурсник по имени Мартин Рочек, он также был возбужден. Он быстро созвонился по телефону с Петером ван Ньювенхёйзеном, который пребывал в городе Стони Брук, Нью-Йорк, и начал сотрудничать с ним и его студентами. Стони Брук был недалеко, и Мартин взял меня с собой в один из визитов туда. Ситуация только начала набирать обороты, и он хотел дать мне шанс включиться в нее самого начала.

Это было, как если бы мне предложили одну их первых работ в Майкрософте или Гугле. Рочек, ван Ньювенхёйзен и многие из тех, с кем я встречался благодаря им, сделали блестящие карьеры на суперсимметрии и супергравитации.

Я согласен, что с их точки зрения я действовал как дурак и упустил великолепную возможность.

Для меня (и для других, с кем я согласен) соединение суперсимметрии и теории пространства и времени вызывает большие вопросы. Я изучал ОТО, читая Эйнштейна, и, если я что-нибудь понял, она о том, как эта теория соединяет гравитацию с геометрией пространства и времени. Эта идея проникла у меня до мозга костей. Теперь мне говорят, что другой глубокий аспект природы также объединяется с пространством и временем – факт, что имеются фермионы и бозоны. Мои друзья говорили мне это, и уравнения говорят то же самое. Но ни друзья, ни уравнения не говорят мне, что это означает. У меня отсутствует идея, концепция вещи. Нечто в моем понимании пространства и времени, гравитации и того, что означает быть фермионом или бозоном, должно углубиться в результате этой унификации. Это должна быть не просто математика – сама моя концепция природы должна измениться.

Но она не меняется. Что я нашел, когда я болтался со студентами ван Ньювенхёйзена, это группу умных, технически аккуратных ребят, яростно проводивших вычисления, днем и ночью. То, что они делали, было придумыванием версий супергравитации. Каждая версия имела больше симметрий, чем последняя, унифицируя большее семейство частиц. Они двигались по направлению к окончательной теории, которая объединила бы все частицы и силы с пространством и временем. Эта теория имеет только техническое название, теория N = 8. N означает число различных способов перепутывания фермионов и бозонов. Первая теория – та, с которой ван Ньювенхёйзен и Дезер меня познакомили, – была простейшая, N = 1. Некоторые люди в Европе работали над N = 2. Неделю, что я был в Стони Брук, люди там двигались к N = 4 на своем пути к N = 8.

Они работали день и ночь, откладывая прием пищи и мирясь со скукой работы, с эйфористичной уверенностью, что они находятся рядом с чем-то новым, что изменит мир. Один из них говорил мне, что он работал так быстро, как только мог, поскольку он был уверен, что, когда было произнесено слово о том, насколько легко делать новые теории, область должна была быть заполнена. В самом деле, если я правильно помню, эта группа достигла N = 4, но они хотели сорвать куш в N = 8.

То, что они делали, не было легким для меня. Вычисления были головоломными, растянутыми и утомительными. Они требовали полной точности. Если где-нибудь терялся множитель 2, недели труда можно было выбрасывать. Каждая строчка расчетов имела дюжины членов. Чтобы уместить строчку расчетов на странице, они прибегали ко все большим и большим листам бумаги. Скоро они носили с собой гигантские папки, которые используют художники, самые большие, какие они смогли найти. Они покрывали каждый лист мелкими, аккуратными рукописями. Каждая папка представляла месяцы работы. Приходило на ум слово «монашеский». Я был в ужасе. Я выдержал неделю и сбежал.

В течение десятилетий после этого я имел несколько некомфортные отношения с Петером, Мартином и другими. Может быть, я рассматривался как неудачник, ибо убежал, когда они предложили мне благоприятную возможность присоединиться к ним в запуске супергравитации. Если бы я присоединился, я мог бы хорошо устроиться, чтобы стать одним из лидеров струнной теории. Вместо этого я ушел в моем собственном направлении, в итоге помогая в поиске иных подходов к квантовой гравитации. Это даже ухудшило ситуацию: я был не только неудачником, который покинул правоверных, я был неудачником с опасностью стать конкурентом.

Когда я размышляю о научных карьерах людей, которых я знал эти последние тридцать лет, мне кажется все больше и больше, что решения об этих карьерах зависят от характера. Некоторые люди успешно набрасываются на следующее большое дело, отдавая ему все, что имеют, и, таким образом, делают важные вклады в быстро развивающиеся области. Другие просто не имеют темперамента, чтобы сделать это. Некоторым людям нужно все очень тщательно обдумать, а это требует времени, так что они легко сбиваются с толку. Не трудно почувствовать превосходство над такими людьми, пока вы не вспомните, что Эйнштейн был одним из них. По моему опыту, по-настоящему поразительные новые идеи и инновации имеют тенденцию исходить от таких людей. Кроме того, другие – и я принадлежу к этой третьей группе – просто следуют своему собственному пути, и не будут покидать свои области без лучшей причины, чем то, что их задевает, что некоторые люди присоединяются, потому что хорошо чувствуют себя на побеждающей стороне. Так что я больше не беспокоюсь, когда я не согласен с тем, что делают другие люди, поскольку я вижу, что темперамент в большой степени определяет, каким видом науки они будут заниматься. К счастью для науки, необходимы вклады всего диапазона типов участников. Я пришел


Источник: http://www.rodon.org/sl/nsfvtsunichzes/

Закрыть ... [X]

Как сделать логотип для сайта самому (онлайн бесплатно) Солнечное отопление своими руками для теплицы

Как сделать быстро красивые стрелки Декор своими руками Своими руками - Как сделать самому
Как сделать быстро красивые стрелки «Сонник Глаза приснились, к чему снятся во сне Глаза»
Как сделать быстро красивые стрелки Простые компьютерные уроки для пожилых, Стр 2
Как сделать быстро красивые стрелки Print Screen: как сделать скриншот
Как сделать быстро красивые стрелки Cached
Как сделать быстро красивые стрелки Displacement для полотенец, ковров, травы - FO
Как сделать быстро красивые стрелки Автомобилист. org - Клуб любителей автомобилей
Как сделать быстро красивые стрелки Вишневая настойка на водке, на спирту - Самогонище
Как сделать быстро красивые стрелки Грузоперевозки по России. Все регионы Страны на
Декор для дома своими руками на 40 ФОТО. Мастер К чему снятся Фото, фотография во сне по 90 Как настроить нумерацию страниц в Word 2010 Как сделать коробочку заданного размера - Ярмарка Мастеров Как сделать отворот от человека правильно самой и заставить