Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует
Шрифт:
Уже в 1916 году 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]
28
Эйнштейн, «Approximate Integration of the Field Equations of Gravitation,» <Приблизительное интегрирование полевых уравнений гравитации>, Sitzungberichte der Preussische Akademie der Wissenschaften (Berlin, 1916), <Сообщение
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 её 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 году 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 чём 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.
29
W. Heisenberg and W. Pauli, «Zur Quantendynamik der Wellenfelder,» <К квантовой динамике волновых полей>, Zeit. fur Physik, 56: 1-61 (1929), стр.3.
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 фиксированному 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
Последовательное описание самодействия гравитонов оказалось крепким орешком. Теперь мы понимаем, что неудача в решении этой проблемы является следствием того, что не принимался всерьёз 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 1930-е. Вероятно, первой диссертацией на степень доктора философии из когда-либо написанных по проблеме квантовой гравитации была диссертация русского физика Матвея Петровича Бронштейна в 1935 году. Те, кто вспоминал его, думали о нём как об одном из двух самых выдающихся советских физиков его поколения. Он писал в 1936 году в статье, что
«устранение… логических противоречий требует… отказа от обычных представлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишёнными 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 серьёзно 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 казнён расстрельной командой 18 февраля 1938 года. Соломон стал членом французского Сопротивления и был убит немцами 23 мая 1942 года. 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.
30
М.П. Бронштейн, «Квантование гравитационных волн», Журн. Эксп. и Теор. Физ… 6 (1936), стр.195. Для большей информации о М. Бронштейне см. Stachel в Conceptual Foundations <Концептуальных основах>, а также Г. Горелик, «Матвей Бронштейн и квантовая гравитация: 70ти летняя годовщина нерешённой проблемы», Успехи Физических Наук, 48: 10 (2005).
Работа Бронштейна была забыта, и большинство физиков вернулись к изучению квантовой теории поля. Как я описывал в главе 4, потребовалось время до конца 1940-х, чтобы КЭД была разработана. Этот успех затем побудил нескольких людей ещё раз поднять проблему объединения гравитации с квантовой теорией. Сразу же возникли два противоположных лагеря. Один из них следовал Бронштейну, принимая всерьёз 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 её 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 её трудной задачей. Такие попытки не приносили плодов вплоть до середины 1980-х, 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 вернёмся к ним в книге позже, ибо они составляют наиболее важные альтернативы теории струн.