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

Смолин Ли

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 звёзды и галактики, но и экзотические объекты, такие как нейтронные звёзды, квазары, сверхновые и чёрные дыры. К 1980 году Cтивен Хокинг уже сделал фантастическое предсказание о том что чёрные дыры излучают. Астрономы также получили доказательства, что вселенная содержит много тёмной материи — что означает, материи в форме, которая не излучает и не отражает свет.

В 1981 году 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 объём доказательств поддерживает предсказания инфляции.

Таким образом, к 1981 году 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 1980-х 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 объяснённые 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 1980-х». [1]

Он рассказал историю о том, как он и Джон Прескилл, другой ведущий теоретик, прибыли в 1983 году 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 жёлтой бумаги и приколол её 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 чём-то, и я бросаю взгляд на его доску для заметок, и (обратите внимание!) этот листок бумаги всё ещё здесь, только всё, что было на нём написано, выгорело на солнце. Так решались проблемы!»

1

Mark Wise, «Modifications to the Properties of the Higgs Boson,» <Изменения к свойствам бозона Хиггса>, сообщение на семинаре, Март, 23, 2006. Доступно на http://streamer.perimeterinstitute.ca/mediasite/viewer/FrontEnd/Front.aspx?&shouldResize=False.

Чтобы быть честным, мы сделали два экспериментальных открытия в последние два десятилетия: что нейтрино имеет массу и что во вселенной доминирует загадочная тёмная 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 тёмной энергией, она не объясняется в терминах любой существующей теории. Поэтому, её открытие нельзя расценивать как успех, оно наводит на мысль, что имеется некоторый важнейший факт, которого нам всем не хватает. А исключая тёмную 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 определённо были очень заняты. Достигнут гигантский прогресс в приложениях установленных

теорий для различных объектов: свойств материалов, молекулярно-физических основ биологии, динамики обширных звёздных 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 вперёд, 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 пошёл 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 даёт начало персональным кризисам. Но, что более важно, это вызывает кризис в физике.

Главная задача для теоретической физики частиц на протяжении последних трёх 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 ещё 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 названия.

Одна теория привлекла больше внимания, чем все остальные вместе: теория струн. Причину её 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 всё ещё 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.