Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует
Шрифт:
Год назад Фотини Маркопоулоу предложила новый способ подхода к проблеме, как из более фундаментальной теории может возникать геометрия пространства. Маркопоулоу молодой физик, работающая в квантовой гравитации, которая чаще всех удивляет меня невероятными идеями, которые оказываются правильными, и эта была одна из её лучших идей. Вместо того, чтобы прямо спрашивать, может или нет геометрия квантового пространства-времени появиться как классическое пространство-время, она предложила отличающийся подход, основанный на идентификации и изучении движения частиц в квантовой геометрии. Её идея была, что частица должна быть некоторым видом эмерджентного возбуждения квантовой геометрии, путешествующего через геометрию, почти как волна путешествует через твёрдое тело или жидкость. Однако, чтобы была воспроизведена известная нам физика, эти эмерджентные частицы должны описываться как чисто квантовые частицы, игнорируя квантовую геометрию, через которую они путешествуют [101] .
101
F. Markopoulou,
Обычно, когда частица находится во взаимодействии с окружением, информация о её состоянии рассеивается в окружении — мы говорим, что наступает декогерентность. Тяжело предотвратить возникновение этой декогерентности; в этом, кстати, причина, почему тяжело сделать квантовый компьютер, который для своей эффективности зависит от нахождения частиц в чистом квантовом состоянии. Люди, которые делают квантовые компьютеры, имеют идеи о том, когда квантовая система будет оставаться в чистом состоянии, даже будучи в контакте с окружением. Во время работы с экспертами в этой области Маркопоулоу поняла, что их наработки применимы к проблеме, как квантовая частица могла бы возникнуть из квантового пространства-времени. Она обратила внимание, что, чтобы вытащить предсказания из теорий квантовой гравитации, вы можете идентифицировать такую квантовую частицу и показать её движение, как если бы она была в обычном пространстве. В её аналогии окружением является квантовое пространство-время, которое, будучи динамическим, постоянно изменяется. Квантовая частица должна двигаться через него, как будто бы оно было фиксированным, нединамическим фоном.
Используя эти идеи, Маркопоулоу и её сотрудники смогли показать, что некоторые фоново-независимые теории квантовой гравитации имеют эмерджентные частицы. Но что это за частицы? Соответствуют ли они чему-либо, что наблюдается?
Вначале проблема казалась трудной, поскольку квантовая геометрия, предсказываемая петлевой квантовой гравитацией, очень сложна. Состояния частиц ассоциируются с графами, растянутыми в трёхмерном пространстве. Пространство является фоном, но оно не имеет свойств, кроме своей топологии; вся информация об измерениях геометрии — вроде длин, площадей и объёмов — происходит от графов. Но поскольку графы растянуты в пространстве, теория содержит в себе очень много дополнительной информации, которая, кажется, не должна ничего делать с геометрией. Это происходит вследствие бесконечного числа способов, которыми рёбра графов могут запутываться, связываться и заплетаться в трёхмерном пространстве.
В последнюю весну (2006 год) мне случилось увидеть препринт молодого австралийского физика, занимающегося частицами, по имени Сандэнс О. Бильсон-Томпсон. В нём он представил простое сплетение лент, которое совершенно замечательно точно ухватывает структуру преонных моделей физики частиц, которые я обсуждал в главе 5. (Вспомните, что эти модели постулируют гипотетические частицы, называемые преонами, как фундаментальные составляющие протонов, нейтронов и других частиц стандартной модели, считавшихся элементарными.) В его модели преон есть лента, и различные виды преонов соответствуют лентам, закрученным вправо, влево или совсем никак. Три ленты могут быть сплетены вместе, и различные способы сделать это точно соответствуют различным частицам стандартной модели [102] .
102
S.O. Bilson-Thompson, «A Topological Model of Composite Preons,» <Топологическая модель составных преонов>, .
Как только я прочитал статью, я понял, что это была недостающая идея, поскольку все плетения, которые изучал Бильсон-Томпсон, могли бы возникнуть в петлевой квантовой гравитации. Это означает, что различные способы сплести и запутать рёбра графов в квантовом пространстве-времени должны быть различными видами элементарных частиц. Так что петлевая квантовая гравитация относится не только к квантовому пространству-времени — она уже содержит в себе физику элементарных частиц. И если бы мы могли обнаружить игру Бильсона-Томпсона точно работающей в теории, это было бы правильной физикой элементарных частиц. Я спросил Маркопоулоу, а не могут ли его плетения быть её когерентными возбуждениями. Мы пригласили Бильсона-Томпсона к сотрудничеству с нами, и после нескольких фальстартов увидели, что утверждение на самом деле работает во всех направлениях до конца. Сделав некоторые умеренные предположения, мы нашли, что преонная модель описывает простейшее из этих частицеподобных состояний в классе теорий квантовой гравитации [103] .
103
S.O. Bilson-Thompson, F. Markopoulou, and L. Smolin, «Quantum Gravity and the Standard Model,» <Квантовая гравитация и стандартная модель>, .
Этот результат поднял много вопросов, и ответить на них теперь является моей главной целью. Слишком рано говорить, работает ли это достаточно хорошо, чтобы дать недвусмысленные предсказания для грядущих экспериментов на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Но одна вещь ясна. Теория струн больше не является единственным подходом к квантовой гравитации, который также унифицирует элементарные частицы. Результаты Маркопоулоу означают, что многие независимые от фона квантовые теории гравитации содержат в себе элементарные частицы как эмерджентные состояния. И данная теория не приводит к громадному ландшафту возможных теорий. Скорее, она показывает перспективы, ведущие к однозначным предсказаниям, которые или будут в согласии с экспериментом, или нет. Самое важное, она избегает необходимости подвергать ревизии научный метод через призывание антропного принципа, что защищают Леонард Сасскайнд и другие (см. главу 11). Наука, действуя старым способом, движется вперёд.
Понятно, имеются различные подходы к пяти фундаментальным проблемам физики. Область фундаментальной физики вне теории струн быстро прогрессирует, причём в нескольких направлениях, включающих, но не ограничивающихся причинными динамическими триангуляциями и петлевой квантовой гравитацией. Как и в любой здоровой области науки, имеется живое взаимодействие как с экспериментом, так и с математикой. Хотя в этих исследовательских программах работает не так много людей, как в теории струн, — возможно, две сотни, включая всех, — однако, достаточно много людей энергично подключаются к фундаментальным проблемам на границах науки. Большие скачки двадцатого столетия были сделаны очень немногими. Когда дело идёт к революционизированию науки, значение имеет качество мышления, а не количество истинных верующих.
Однако, я хочу пояснить, что в этой новой «послеструнной» атмосфере нет ничего, что исключает изучение теории струн самой по себе. Идея, на которой она основана, — дуальность полей и струн — разделяется, как я обращал внимание, и петлевой квантовой гравитацией. К существующему кризису в физике привела не эта стержневая идея, а особый вид её реализации, разработанный в зависимом от фона контексте — контексте, который навязывает рискованные предположения, такие как суперсимметрия и высшие измерения. Нет причин, почему бы другой подход к теории струн — более близкий к основополагающим проблемами, вроде независимости от фона и проблемам квантовой теории — не мог бы быть частью конечной истории. Но чтобы узнать это, теория струн нуждается в развитии в открытой атмосфере, в которой она рассматривается как одна идея среди нескольких, без какого-либо исходного допущения о её окончательном успехе или неудаче. С чем новый дух физики не может быть согласен, так это с презумпцией, что одна идея имеет успех, какие бы ни были свидетельства.
Хотя сегодня среди теоретиков по квантовой гравитации есть возбуждающее ощущение прогресса, имеется также сильное ожидание, что дорога вперёд принесёт, по меньшей мере, несколько сюрпризов. В отличие от струнных теоретиков в весёлые дни двух суперструнных революций, немного людей, работающих в квантовой гравитации, уверены, что они имеют в руках конечную теорию. Мы осознаём, что достижения независимых от фона подходов к квантовой гравитации являются необходимым этапом в завершении революции Эйнштейна. Они показывают, что может существовать последовательный математический и концептуальный язык, который объединяет квантовую теорию и ОТО. Это даёт нам нечто, чего не даёт теория струн, а именно возможную схему, в которой можно сформулировать теорию, которая решит все пять проблем, список который я привёл в главе 1. Но мы объективно уверены, что мы ещё не имеем все кусочки картины. Даже с недавними успехами ещё нет идеи, которая была бы абсолютно правдоподобна.
Когда вы оглядываетесь назад на историю физики, замечается одна вещь: Когда, наконец, предлагается конечная теория, она быстро достигает триумфа. Несколько действительно хороших идей по унификации появились в форме, которая убедительна, проста и однозначна; они не пришли со списком вариантов или настраиваемых свойств. Ньютоновская механика определена тремя простыми законами, ньютоновская гравитация простой формулой с одной константой. СТО была совершенной, когда появилась. Могло потребоваться двадцать пять лет для формулирования квантовой механики, но с самого начала она развивалась в согласии с экспериментом. Многие из ключевых статей по этой теме с 1900 года или объясняли недавние экспериментальные результаты, или делали определённые предсказания для экспериментов, которые были в короткое время проведены. То же самое верно и для ОТО.