Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует
Шрифт:
Но потребовалось время до 1918 года, 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 берёте 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 брёвна 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
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 всё ещё сохраняет веру в неё.» [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 лёгкого решения, поскольку теория может быть фантастически красивой, плодотворной для развития науки и, в то же время, полностью неправильной.
15
Hubert F.M. Goenner, On the History of Unified Field Theories (1914–1933), <К истории единых теорий поля (1914–1933)>, стр. 38–39.
16
Hubert F.M. Goenner, On the History of Unified Field Theories (1914–1933), <К истории единых теорий поля (1914–1933)>, стр. 39.
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 нашёл другой путь для объединения гравитации и электромагнетизма, пересмотрев идею Нордстрёма о скрытой размерности. Но он сделал эту размерность скрученной. Нордстрём нашёл 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 нашёл электромагнетизм.
17
Hubert F.M. Goenner, On the History of Unified Field Theories (1914–1933), <К истории единых теорий поля (1914–1933)>, стр. 35.
Вы можете наглядно представить это новое пространство, добавив маленькую окружность к каждой точке обычного трёхмерного 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 трёхмерного 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 трёхмерного 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 определённых уравнений, называемых уравнениями Эйнштейна. Мне не нужно выписывать их, чтобы описать ключевой
Идея Калуцы была переоткрыта и разработана дальше в 1920-е 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 всё благодаря простому акту добавления одного измерения к пространству.
В это время Эйнштейн был покорён. В апреле 1919 году он написал Калуце:
«Идея достижения [единой теории] через пятимерный цилиндр никогда у меня не возникала… На первый взгляд Ваша идея нравится мне чрезвычайно.» [18]
18
Цитируется по Abraham Pais, Subtle Is The Lord, <Бог изощрён> (New York: Oxford Univ. Press, 1982), стр.330.
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 году:
«Я почувствовал разновидность экстаза! Теперь кто-то понимает мир.» [20] [11]
19
Abraham Pais, Subtle Is The Lord, <Бог изощрён> (New York: Oxford Univ. Press, 1982), стр.332.
20
Abraham Pais, Subtle Is The Lord, <Бог изощрён> (New York: Oxford Univ. Press, 1982).
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 своё 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.