Теория всего?

Лучшим кандидатом на роль теории всего является сегодня теория струн; но у этой точки зрения есть и противники, считающие, что теория струн не оправдывает ожиданий.

С одной стороны, такой ученый, как профессор MIT Макс Тегмарк, пишет:

«Я думаю, что в 2056 г. уже можно будет купить футболку с формулами, описывающими унифицированные физические законы нашей Вселенной».

С другой стороны, в настоящий момент формируется группа решительных критиков, которые утверждают, что теории струн еще предстоит многое доказать. 

Не важно, сколько появилось по ее поводу восторженных статей или документальных телефильмов; некоторые говорят, что теория струн пока не дала ни одного факта, который можно было бы проверить.

Споры по этому поводу разгорелись с новой силой в 2002 г., когда Стивен Хокинг перешел в другой лагерь и, ссылаясь на теорему о неполноте, заявил, что теория всего вполне может оказаться даже математически невозможной.

Неудивительно, что жаркие споры вынудили одних физиков пойти против других физиков — ведь цель так благородна, хотя и ускользает с завидным постоянством. Стремление объединить все законы природы тысячелетиями дразнило и манило в равной степени и философов, и физиков. Сам Сократ однажды сказал: «Мне это представлялось наивысшим — знать объяснение всего, почему это появляется, почему гибнет, почему существует».

Первое серьезное предположение, имеющее отношение к теории всего, было выдвинуто около 500 г. до н.э.; считается, что примерно в это время греки-пифагорейцы разгадали математические законы музыки. Проанализировав узлы и колебания лирной струны, они сумели показать, что музыка подчиняется замечательно простым математическим правилам. Затем появились рассуждения о том, что, может быть, гармониями лирной струны можно объяснить все в природе. (В каком-то смысле современная теория струн возродила к жизни мечту пифагорейцев!)

Можно смело сказать, что уже в наше время чуть ли не все гиганты физики XX в. пробовали свои силы в разработке единой теории поля. Но, как предостерегает Фримен Дайсон, «поле боя физической науки сплошь усыпано трупами унифицированных теорий».

В 1928 г. газета New York Times вышла с сенсационным заголовком: «Эйнштейн на пороге великого открытия; злится на непрошеное вторжение». Помещенная под ним заметка привела средства массовой информации в неистовство, возбудила вокруг теории всего журналистскую суматоху и довела напряжение в обществе до критической точки. Заголовки кричали: «Эйнштейн поражен суматохой вокруг новой теории! Держит 100 журналистов в напряжении целую неделю!» Десятки журналистов буквально роились вокруг его дома в Берлине и несли круглосуточную вахту, мечтая увидеть гения хотя бы краешком глаза и дать материал позабористее. Эйнштейн вынужден был скрываться.

Астроном Артур Эддингтон писал Эйнштейну: «Вас, может быть, позабавит известие о том, что один из крупнейших универсальных магазинов в Лондоне («Selfridges») поместил в витрине вашу статью (те самые шесть страничек в ряд на одном стенде), чтобы прохожие могли прочесть ее от начала до конца. У витрины собираются большие толпы, все читают». (В 1923 г. Эддингтон предложил собственную единую теорию поля, над которой затем неустанно работал до самой смерти в 1944 г.)

В 1946 г. Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой механики, собрал пресс-конференцию, на которой озвучил свою единую теорию поля. На пресс-конференции появился даже премьер-министр Ирландии Эмон де Валера. Когда один из репортеров спросил, что он будет делать, если его теория окажется ошибочной, Шрёдингер ответил: «Я уверен, что прав. Если я не прав, я буду выглядеть полным идиотом». (Шрёдингер действительно почувствовал себя оскорбленным, когда Эйнштейн вежливо указал на ошибки в его теории.)

Самым яростным критиком всякой унификации был физик Вольфганг Паули. Он упрекал Эйнштейна, перефразируя Библию: «Итак, что Бог разлучил, того человек да не сочетает». Он беспощадно громил любую недоработанную теорию, отпуская язвительные замечания: «Эту теорию нельзя даже назвать неверной». Тем не менее по иронии судьбы величайший скептик Паули сам заразился всеобщим безумием. В 1950-х гг. он вместе с Вернером Гейзенбергом предложил собственную единую теорию поля.

В 1958 г. Паули представил единую теорию Гейзенберга-Паули в Колумбийском университете. На Нильса Бора, присутствовавшего в зале, она не произвела особого впечатления. Бор встал и сказал: «Мы здесь, в задних рядах, убеждены, что ваша теория безумна. Но наши мнения разделились в том, достаточно ли она безумна». Теория подверглась уничижительной критике. Поскольку все очевидные варианты единой теории были давно рассмотрены и отвергнуты, истинная единая теория поля должна была выглядеть совершенно неожиданно и в корне отличаться от всех прежних версий. Теория Гейзенберга-Паули была попросту слишком традиционной, слишком обычной, слишком здравой, чтобы оказаться истинной. (В том же году Паули был очень встревожен, когда Гейзенберг заметил в одной из радиопередач, что в их общей теории не хватает лишь некоторых технических деталей. Паули отправил друзьям письмо с пустым прямоугольником и подписью под ним: «Таким образом я хочу продемонстрировать миру, что способен рисовать, как Тициан. Моему рисунку не хватает лишь технических деталей».)

На сегодняшний день ведущим (и единственным) кандидатом на роль теории всего является теория струн. Но возникла, естественно, и отрицательная реакция. Оппоненты утверждают: теперь, чтобы получить постоянную должность в одном из лучших университетов, вы должны непременно работать над теорией струн. Если вы не занимаетесь этой теорией, останетесь без работы. Это повальное увлечение сегодняшнего дня — и физика, разумеется, от этого страдает.

Физика, как любое другое человеческое занятие, подвержена увлечениям и моде. Судьбы великих теорий, особенно тех, что рождаются на острие человеческого познания, могут испытывать неожиданные и даже случайные взлеты и падения. Вообще, ситуация поменялась не так уж давно; исторически именно теория струн была изгоем, теорией-отступником и жертвой мейнстрима.

Теория струн зародилась в 1968 г., когда два молодых свежеиспеченных доктора — Габриель Венециано и Махико Судзуки — наткнулись на формулу, описывавшую вроде бы столкновения субатомных частиц. Вскоре обнаружилось, что эта чудесная формула может быть получена как описание столкновения колеблющихся струн. Но к 1974 г. работа над этой теорией практически замерла. Появившаяся на горизонте новая теория — квантовая хромодинамика, или теория кварков и сильного взаимодействия, — подобно колеснице Джаггернаута, давила своей мощью все остальные теории. Физики толпами бросали теорию струн ради работы над новой многообещающей теорией. Все финансирование, все рабочие места и признание доставались ученым, работавшим над кварковой моделью.

Над теорией струн продолжали работать только отъявленные упрямцы и авантюристы. А когда выяснилось, что струны, о которых идет речь, способны колебаться только в десятимерном пространстве, теория вообще стала объектом насмешек. Пионер теории струн Джон Шварц из Калифорнийского технологического иногда сталкивался в лифте с Ричардом Фейнманом. Фейнман, всегда любивший пошутить, частенько спрашивал: «Ну, Джон, сколько измерений в пространстве, где вы сегодня находитесь?» Даже шутили, что единственное место, где можно найти физика-теоретика — специалиста по теории струн, — это очередь на биржу труда.

(Нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн, основатель кварковой модели, однажды признался мне, что из жалости к теоретикам-струнникам организовал у себя в Калифорнийском институте «заповедник для вымирающего вида, специалистов по теории струн», чтобы люди вроде Джона не лишились работы.)

Говоря о том, что сегодня многие молодые физики стремятся работать над теорией струн, Стив Вайнберг написал: «Теория струн представляет собой на данный момент единственного претендента на роль окончательной теории, — так можно ли ожидать, что многие способнейшие молодые теоретики не захотят работать над ней?»

Одно из главных возражений против теории струн состоит в том, что ее невозможно проверить. Ее противники утверждают, что для реальной проверки этой теории потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику.

Но критики забывают о том, что очень многое в науке делается отнюдь не прямо; очень часто результат проще получить косвенным путем. Никто еще не побывал на Солнце, чтобы провести непосредственные измерения, но мы можем анализировать спектральные линии солнечного света и потому знаем, что Солнце состоит из водорода.

Или возьмем черные дыры. Теория черных дыр восходит к 1783 г., когда Джон Мичелл опубликовал статью в «Философских трудах Королевского общества». Он утверждал, что звезда может быть настолько массивной, что «весь излучаемый таким телом свет вынужден будет вернуться к нему под действием его собственной гравитации». В течение нескольких столетий теория темной звезды Мичелла влачила жалкое существование, поскольку проверить ее непосредственно было невозможно.

В 1939 г. Эйнштейн даже написал статью, в которой доказывалось, что подобная темная звезда не может сформироваться естественным путем. Главным аргументом было то, что темные звезды невозможно обнаружить по самой их природе — ведь они по определению невидимы. Но сегодня благодаря космическому телескопу имени Хаббла у нас есть великолепные доказательства существования черных дыр.

В настоящее время мы убеждены, что в центрах галактик могут скрываться миллиарды черных дыр; в нашей собственной Галактике могут существовать десятки бродячих черных дыр. Но суть в том, что все данные о черных дырах получены косвенным путем; а именно мы получаем информацию о черной дыре путем изучения аккреционного диска, который вращается вокруг нее.

Более того, многие «непроверяемые» теории со временем становятся проверяемыми. На то, чтобы доказать существование атомов, предсказанных Демокритом, потребовалось две тысячи лет. Еще в XIX в. физика вроде Людвига Больцмана, верившего в атомную теорию, могли затравить насмерть, а сегодня у нас есть великолепные фотографии атомов. Великий скептик Паули ввел в 1930 г. понятие нейтрино — частицы настолько неуловимой, что она способна пролететь сквозь свинцовый шар размером с Солнечную систему и ни с чем при этом не провзаимодействовать. Паули сказал: «Я совершил страшный грех; я ввел частицу, которую невозможно пронаблюдать». Обнаружить нейтрино было «невозможно», поэтому в течение нескольких десятков лет необычная частица считалась чуть ли не фантастикой. А сегодня мы умеем создавать нейтринные пучки.

Уже запланировано несколько экспериментов, которые, как надеются физики, помогут косвенным образом проверить теорию струн.

• Большой адронный коллайдер, возможно, окажется достаточно мощным для получения суперчастиц, которые предсказаны теорией суперструн (как и другими теориями суперсимметрии) и представляют собой высшие моды колебаний.

• Как я уже упоминал, в 2015 г. в космос будет запущена LISA — космическая антенна с лазерным интерферометром. LISA и ее преемник, Наблюдатель Большого взрыва, окажутся, возможно, достаточно чувствительными для проверки нескольких теорий о том, что было до Большого взрыва, включая и различные версии теории струн.

• Множество лабораторий сейчас пытаются обнаружить, действует ли в миллиметровом масштабе знаменитый ньютоновский закон о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Отклонения от этого закона могут говорить о существовании высших измерений. (Если существует, к примеру, четвертое пространственное измерение, то сила притяжения должна уменьшаться пропорционально кубу, а не квадрату расстояния.) Последняя версия теории струн (М-теория) утверждает, что измерений на самом деле 11.

• Многие лаборатории пытаются обнаружить темное вещество, или скрытую массу, ведь Земля движется в космическом потоке темного вещества. Теория струн позволяет сформулировать конкретные проверяемые предсказания о физических свойствах темного вещества — ведь оно, вероятно, представляет собой высшие колебания струн (например, фотино).

• Есть надежда, что серия дополнительных экспериментов (к примеру, эксперименты по определению поляризации нейтрино, проводимые на Южном полюсе) позволит обнаруживать черные мини-дыры и другие странные объекты путем анализа аномалий космических лучей с энергиями, превосходящими, возможно, энергии частиц в Большом адронном коллайдере. Эксперименты с космическими лучами и с коллайдером откроют новые интересные горизонты, помимо Стандартной модели.

• Некоторые физики допускают, что сила Большого взрыва могла разогнать какую-нибудь крошечную суперструну до поистине космических масштабов. Физик Александр Виленкин пишет: «Одна очень интересная возможность заключается в том, что суперструны... могут достигать астрономических масштабов... В этом случае мы могли бы пронаблюдать их в небе и таким образом напрямую проверить теорию суперструн». (Вероятность найти в космосе гигантскую реликтовую суперструну, сохранившуюся с момента Большого взрыва, очень мала.)

2011 год

источник

Оригинал записи и комментарии на LiveInternet.ru