Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

К исследованиям Смолина присоединился молодой критически настроенный физик из Италии Карло Ровелли, также делавший первые шаги в нереально сложной алгебре квантовой гравитации. Ровелли нравилось быть бунтарем. В студенческие годы в Риме он создал альтернативную радиостанцию, преследовался властями за свои политические взгляды и чуть не попал в тюрьму за отказ от воинской службы. Ему подходили альтернативные воззрения. Смолин и Ровелли развили петлевой подход, исследовав, каким образом петли могут соединяться друг с другом, переплетаться и завязываться в узел. При этом они двигались от общей геометрии пространства ко все более детальным и фрагментарным представлениям. В середине 1990-х они натолкнулись на старую идею, которую Роджер Пенроуз использовал для описания квантовых систем в терминах простого математического наполнения. Пенроуз называл это спиновой сетью. Напоминающая детский гимнастический снаряд «паутинка»,

структура представляет собой сеть из связанных друг с другом вершин, каждая из которых обладает определенными квантовыми свойствами. Ровелли и Смолин показали, что такие сети будут наилучшими решениями уравнения Уиллера-Девитта. Но они сильно отличаются от интуитивного представления пространства и времени, с которыми привыкли работать все релятивисты.

Спиновые сети Ровелли и Смолина стали совершенно новым взглядом на квантовую гравитацию. В предложенной ими модели пространства на квантовом уровне не существует — оно, как вода, разбито на атомы или молекулы. На макроскопическом уровне вода выглядит гладкой и однородной, в то время как на самом деле она состоит из молекул, то есть небольших групп протонов, электронов и нейтронов, плавающих в пустом пространстве и слабо связанных друг с другом силой электрического взаимодействия. Совершенно аналогично, согласно воззрениям Ровелли и Смолина, пространство может казаться однородным, но перестает существовать при взгляде на него через мощный микроскоп. В их теории, если взглянуть с расстояния, не превышающего триллионной от триллионной сантиметра, вместо пространства появляется решетка, или сеть.

Теория петлевой квантовой гравитации стала реальным конкурентом теории струн в попытках квантования гравитации. Она и ее производные явились канонической альтернативой ковариантному подходу, выражавшемуся теорией струн. Ее поборники не пытались объединять все взаимодействия, но, взяв в качестве отправной точки геометрию, попытались сохранить красоту изначальной идеи Эйнштейна, выраженную в общей теории относительности. Как ни парадоксально, при этом они отказались рассматривать представления о пространстве-времени как нечто фундаментальное.

На лекции, которую Брайс Девитт читал в 2004 году незадолго до своей смерти, он поражался тому, как сильно изменились представления о квантовой гравитации: «При взгляде на теорию струн поражаешься, насколько сильно за пятьдесят лет поменялись роли. Раньше гравитация считалась безобидным фоном, не имеющим отношения к квантовой теории поля. Сейчас же она играет центральную роль. Ее наличие оправдывает теорию струн! В английском языке есть поговорка: “Нельзя сделать шелковый кошель из свиного уха”. В начале семидесятых теория струн была свиным ухом. Никто не воспринимал ее как фундаментальную теорию… В начале восьмидесятых картина перевернулась с ног на голову. Теория струн внезапно потребовалась для объяснения гравитации и прочих связанных и не связанных с ней вещей. С этой точки зрения она превратилась в шелковый кошель».

Над теорией струн Девитт никогда не работал, но вектор его пристрастий был вполне четким. Канонический подход вызывал у него намного меньший энтузиазм. Он ненавидел уравнение Уиллера-Девитта, к появлению которого в свое время приложил руку. Он считал, что «место этого уравнения на свалке истории», потому что, кроме всего прочего, «оно нарушает сам дух относительности». Фактически, с точки зрения Девитта, «уравнение Уиллера-Девитта было некорректным… Им нельзя пользоваться ни как определением квантовой гравитации, ни как основой для подробного и углубленного анализа». Работу Абэя Аштекара над своим уравнением он назвал «элегантной», но добавил, что «в отрыве от такого без сомнения важного результата, как модель “спиновой пены”, я считаю эту работу неуместной». Неприязнь Девитта была отражением популярного в теоретической физике взгляда: теория струн становилась приоритетной.

Приверженцы теории струн наслаждались, как им казалось, своим успехом. Вернувшийся в Лондон Майкл Дафф объявил: «Мы достигли огромного прогресса как в теории струн, так и в М-теории. И это касается лишь попыток унификации». Многие теоретики были убеждены в скором открытии суперсимметрии и дополнительных измерений, в результате чего теория струн останется единственным возможным подходом. Сам Стивен Хокинг говорил, что «М-теория является единственным кандидатом на роль полной теории Вселенной». На вопрос о конкурирующем каноническом подходе, рассматриваемом многими в качестве законного преемника разработанной Уиллером философии квантования гравитации, Дафф ответил упреком в смешении понятий «квантовой гравитации» и «петлевой квантовой гравитации». И в этом он был не одинок. «Они даже не могут рассчитать поведение гравитона. Как они собираются убедиться в собственной правоте?» — спрашивает убежденный

сторонник теории струн Филипп Канделас.

В середине 2000-х глубоко укоренившийся антагонизм между приверженцами различных подходов к проблеме квантовой гравитации вышел наружу. В течение многих лет в блогах и популярных физических журналах появлялись комментарии к статьям известных ученых мужей, ставящие под сомнение господство теории струн в теоретической физике. В 2006 году вышли две книги, утверждающие, что на самом деле теория струн разрушает будущее физики. Их авторы — один из апологетов петлевой квантовой гравитации Ли Смолин и физик Питер Войт из Колумбийского университета — утверждали, что впечатлительных молодых физиков привлекают к работе в области, которая почти за тридцать лет еще не представила осязаемых результатов объединения взаимодействий и объяснения квантовой гравитации. По их мнению, в научных кругах доминировали сторонники теории струн, принимавшие на работу тех, кто разделял их взгляды, и мешавшие продвижению молодежи, не придерживающейся «линии партии». Как в 2005 году писал Смолин: «Многих раздражает то, что данное сообщество, позиционирующее себя как доминирующее — и действительно доминирующее во многих местах Соединенных Штатов, — не заинтересовано в плодотворной работе в других областях. Скажем, на устраиваемые нами конференции по квантовой гравитации мы пытаемся приглашать приверженцев всех основных теорий, в том числе теории струн. И дело не в наших высоких моральных качествах; просто так принято. Но на ежегодной международной конференции по теории струн ничего подобного не происходит». Блогосферу заполнили дебаты, так как взволнованный атаками лагерь сторонников теории струн решил расставить все по своим местам. Заявления, публикуемые на «физических» сайтах, собирали сотни комментариев, представлявших собой смесь технических деталей, умствований и откровенного невежества. Все рвались высказать свое мнение.

Враждебность по отношению к теории струн проявилась в 2011 году, когда Майкл Грин, сменивший Хокинга на должности Лукасовского профессора, решил прочитать в Оксфорде лекцию по этой теме. В 1984-м году именно Грин вместе с Джоном Шварцем дал толчок к развитию теории струн, а в начале 1990-х я присутствовал на его коллоквиуме в Лондоне, прошедшем с огромным успехом. Занимающиеся этой темой теоретики тогда были на коне. На этот раз в Оксфорде царила куда более холодная атмосфера. Большинство вопросов касалось деталей выступления, но проскакивали и откровенно колкие насмешки. Сейчас ни одна публичная лекция по теории струн не обходится без неизбежного вопроса: «Допускает ли эта теория проверку?». И задается он всегда лицами, принадлежащими к лагерю противников теории струн.

Пока еще нельзя сказать, когда же антагонизм между различными группами, работающими над квантовой гравитацией, изживет себя. Некоторое время противники теории струн со своими версиями квантовой гравитации были далеки от процветания, но сейчас, по всей видимости, гонения начались уже и на сторонников этой теории.

Примечательным результатом борьбы стала популяризация квантовой гравитации среди широкой публики. Война между каноническим и ковариантным подходами попала даже в телесериал «Теория большого взрыва». Персонажи разрывают свои отношения, потому что не могут договориться, какому подходу следует учить их детей. Как говорит Лесли Уинкл Леонарду Хофстедеру, выбегая из комнаты: «Это камень преткновения».

Через тридцать лет после того как Стивен Хокинг предсказал конец физики, а затем обрушил на ничего не подозревающий мир парадокс, связанный с исчезновением информации в черных дырах, квантовая теория гравитации так и не появилась, не говоря уже о единой теории фундаментальных взаимодействий. Но несмотря на раздоры при поиске квантовой гравитации, общность взглядов тоже присутствует. Возник новый и практически общепринятый взгляд на природу пространства-времени. Сторонники всех подходов, от теории струн и петлевой квантовой гравитации до более узконаправленных идей квантования общей теории относительности, отказываются от пространства-времени как от фундаментальной сущности. Возможно, это понимание можно напрямую связать с открытым Хокингом излучением черных дыр и оно поможет решить проблему исчезновения информации в черных дырах заодно с проблемой утраченной физикой возможности прогнозирования. Для устранения парадокса Хокинга нужно первым делом понять, каким образом черные дыры хранят поглощенную ими информацию и в каком виде они могут отдавать ее в окружающий мир. Но для этого уже недостаточно построенной на общей теории относительности наивной модели, ограничивающейся только горизонтом событий. Как ни странно, пролить свет на этот вопрос в какой-то степени могут петлевая квантовая гравитация и теория струн совместно с менее распространенными и менее известными подходами к квантовой гравитации.