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

Смолин Ли

Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстаёт перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими как её огромный размер и существование тёмной энергии, мы останемся примерно с 10 в степени 500 различными струнными теориями, — что означает единицу с 500 нулями после неё, 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 её 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 её изучение, мы всё ещё 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 расчётов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, каковы её фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена — возможно, в будущем должен быть изобретён новый язык, чтобы описать её. 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 её первоначального озвучивания большинство струнных практиков уверены, что мы всё ещё не имеем всестороннего ответа на элементарный вопрос: что есть теория струн?… [Б]ольшинство исследователей чувствует, что наша сегодняшняя формулировка теории струн всё ещё нуждается в некой разновидности центральных принципов, которые мы нашли в основании других великих достижений». [2]

2

Brian Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality, <Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности> (New York: Alfred A. Knopf, 2005), стр. 376.

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 её 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 расчётов свойств этих частиц и как делать новые предсказания для них. Представим, что я даю вам кресло, одновременно объясняя, что ножки всё ещё отсутствуют, и что сидение, спинка и подлокотники будут, вероятно, в ближайшее время доставлены. Что бы я вам ни дал, могу ли я всё ещё называть это креслом?» [3]

3

Gerard T'Hooft, In Search of the Ultimate Building Blocks, <В поиске первичных строительных блоков> (Cambridge: Cambridge University Press, 1996), стр. 163.

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 чём 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]

4

Цитируется по New Scientist, «Nobel Laureate Admits String Theory Is in Trouble», <Нобелевские лауреаты признают, что теория струн в неприятностях>, Декабрь, 10, 2005. Это вызвало некоторую полемику, как пояснил Гросс в своём замечании

на открытии 23й Иерусалимской зимней школы по теоретической физике, (полный текст доступен на:

«Что я на самом деле об этом думаю, так это то, что мы ещё не знаем ответа как на то, что есть теория струн, так и на то, является ли она окончательной теорией или в ней что-то пропускается, и мы, кажется, стоим перед необходимостью глубоких концептуальных изменений… именно в отношении природы пространства и времени. Но [это] далеко не доказательство, что мы должны остановить разработку теории струн — она потерпела неудачу, она закончилась, — это замечательный период.»

Но, хотя теория струн столь неполна, что даже само её существование является недоказанной гипотезой, это не останавливает многих, кто работает над ней, от уверенности, что она представляет собой единственный путь вперёд 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 всё это глупости, не имеется альтернатив… Все хорошие идеи являются частью теории струн.» [5]

5

J. Polchinski, сообщение на 26 м Летнем институте по физике частиц Стэнфордского линейного ускорительного центра, 1998, .

Любош Мотль, доцент в Гарварде, недавно заявил на своём 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 определённое. Лайза Рэндалл, влиятельный теоретик в области частиц и коллега Мотля по Гарварду, определяет теорию как

6

http://motls.blogspot.com/2005/09/why-no-new-einstein-ii.html.

«определённую физическую систему взглядов, которая воплощается в наборе фундаментальных предположений о мире, — и экономную систему взглядов, которая включает в себя широкое разнообразие явлений. Теория даёт 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.

7

Lisa Randall, «Designing Words,» <Интригующие слова>, в Intelligent Thought: Science Versus the Intelligent Design Movement <Умные мысли: наука против движения в поддержку разумного плана>, ed. John Brockman (New York: Vintage, 2006).

Теоретическая физика трудна. Очень трудна. Не потому, что она содержит определённое 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 остаётся неизвестным, это может означать, что ответ не лёгок 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 чём не может не сомневаться хороший учёный. 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 всё ещё нет.