Текст книги "Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс"

М-Теория / Теория струн – это оптимальный вариант
Эрик Вайнштейн

Математик и экономист, управляющий директор инвестиционной компании Thiel Capital.

Если взглянуть на науку с точки зрения экономиста, приходишь к выводу, что первым кандидатом на вылет будет та научная теория, к которой будет больше всего претензий на рынке идей. Поэтому недостаточно искать просто неправильные идеи; вместо этого мы должны искать проблемные научные идеи, которые препятствуют прогрессу, возбуждая чрезмерные, почти религиозные страсти и то, что биологи вежливо именуют «межвидовой интерференционной конкуренцией». И здесь трудно найти более подходящего кандидата, чем интеллектуальный пузырь, возникший вокруг поисков состоятельной Физической Теории Всего, которая интерпретируется таким образом, словно это синоним квантовой гравитации. И если природа пыталась тактично дать нам понять, что, прежде чем квантовать гравитацию, надо выполнить еще кое-какую работу, она не могла подать более ясный сигнал, чем отвергнутые нобелевские притязания двух поколений блестящих наследников Нильса Бора.

Напомним: современная физика покоится на табуретке с тремя геометрически расположенными ножками, которые каждую по отдельности лично выточили из классической геометрии Альберт Эйнштейн, Джеймс Клерк Максвелл и Поль Дирак. Две ножки, сделанные последними, можно вместе модернизировать в квантовую теорию силы и материи, известную как Стандартная модель, а вот ножка работы Эйнштейна упорно сопротивляется любым попыткам модернизации, что делает весь этот полуквантовый табурет валким и не слишком полезным. Именно поэтому дети Бора сочли необходимым любой ценой обратить детей Эйнштейна в квантовую религию, чтобы табуретка не шаталась.

Однако, справедливости ради, надо признать, что самые шумные из энтузиастов, настаивающих, что Эйнштейна надо заставить склониться перед Бором, выдвигают вполне резонный довод. Несгибаемые «квантовые» радикалы заявляют, что, несмотря на беспрецедентную историю своих провалов, теория струн (которую сейчас переименовали в М-теорию, где буква М может в разных обстоятельствах означать слова «матрица», «мембрана», «мать» или «магия») остается единственным выбором: фундаментальная физика настолько закостенела, что никто не может предложить альтернативную (и при этом правдоподобную) объединяющую теорию. И если мы хотим разоблачить эти домыслы, то должны предпринять добросовестные усилия, чтобы ответить на вызов выдвижением интересных альтернатив. В противном случае мы останемся вообще ни с чем.

Причина, по которой я верю, что есть более правильный путь к истине, заключается в том, что – в силу неверно понимаемой лояльности к нашему любимому Эйнштейну – мы питаем излишний пиетет к точной формулировке общей теории относительности. Например, если мы, прежде чем заниматься какими-то улучшениями нашей табуретки, вглядимся в кривизну и взаимное расположение трех ее ножек, то увидим нечто поразительное: еще до того, как было введено понятие кванта, они уже были в некоторой степени несовместимы между собой на уровне классической геометрии. Ножка работы Эйнштейна кажется самой прочной (и при этом наиболее экономно сделанной); она явно отражает внимание к функциональности, которое мы находим в школе «внутренней геометрии», основанной немцем Бернхардом Риманом. Ножки Максвелла и Дирака в определенном смысле более декоративны, они пользуются свободой формы – этим raison d’être более эксцентричной школы «дополнительной геометрии», у истоков которой стоял эльзасец Шарль Эресманн.

Это естественным образом наводит нас на совсем другой вопрос: а что, если квантовая несовместимость существующих теорий с точки зрения унификации – это некий ложный след, тогда как на самом деле имеет место скорее конфликт между геометриями математиков Эресманна и Римана, нежели несовместимость между физикой Эйнштейна и физикой Бора? Хуже того: возможно, ни одна из основополагающих теорий не готова к тому, чтобы подвергнуться квантованию. Что, если все три теории несколько недоработаны на геометрическом уровне, и кванты придут только тогда, когда обе геометрические теории будут отправлены в отставку и заменены унифицированной геометрией?

Если ответ на этот вопрос существует, то нельзя ожидать, что им станет некая универсальная геометрическая теория – ведь все три существующие теории в каком-то смысле являются самыми простыми из всего возможного в своих областях. Вместо этого подобный унифицированный подход может включать в себя новый математический инструментарий, сочетающий элементы двух главных геометрических школ и релевантный для физики только в том случае, если удастся показать, что наблюдаемый мир можно отнести к весьма специальному подтипу. По счастью, с обнаружением массы нейтрино, ненулевой темной энергии и темной материи знакомый нам мир все больше начинает походить на особый класс, который может быть описан подобной гибридной теорией.

Я мог бы и дальше развивать эту мысль, но это не единственный интересный путь для размышлений. Хотя к главной вершине может привести в конечном счете лишь одна единая теория, есть несколько интеллектуальных пиков, на которые можно взобраться только по одному склону. Мы должны вернуть физику в естественное состояние индивидуализма, чтобы независимые исследователи не боялись больших научных сообществ, которые, в погоне за ресурсами и интеллектуальным пулом, выталкивают ученых-одиночек, разрабатывающих действительно новые интересные идеи в новых направлениях. К сожалению, трудно с полной ответственностью поощрять теоретиков (большинство из которых не являются финансово независимыми) разрабатывать по-настоящему интересные теории в сообществе, которое сейчас применяет неоправданно жесткие стандарты к новым программам и новым идеям – и в то же время позволяет, чтобы буква «М» в термине «М-теория» с каждым годом всё больше означала слова «мешанина «и mañana[14]14
  Завтра (исп.).


[Закрыть].

Убежденные «струнные» теоретики могут с искоркой в глазах в шутку кричать своим молодым конкурентам: «Предсказания!», «Опровергаемость!» или «Экспертная оценка!» Однако потенциально конкурентные исследовательские программы «молодой отрасли», как говорится, гибнут не в шутку, а всерьез. Зная историю научной исключительности, окружавшую исследования квантовой гравитации, трудно считать желательным или необходимым однозначный отказ от М-теории, поскольку в ней содержится много замечательных идей. Мы просто должны настоять на том, чтобы те подпорки, которые традиционно предоставляют новичкам, чтобы добавить энергии научному сообществу, передали новым кандидатам, отобрав эти подпорки у тех, кто монополизировал их на целые десятилетия. И потом мы можем спокойно ждать, как сложится судьба «единственного выбора», когда он лишится роскоши особого заступничества влиятельных сторонников, и сможет ли он устоять, найдя вместо этого поддержку у самой Природы.

Теория струн
Фрэнк Типлер

Профессор математической физики Тулейнского университета. Соавтор (с Джоном Бэрроу) книги The Anthropic Cosmological Principle («Антропный космологический принцип»). Автор книги The Physics of Immortality («Физика бессмертия»).

В своей «Научной автобиографии» Макс Планк вспоминает, как он не мог убедить химика Вильгельма Оствальда в том, что второй закон термодинамики не выводится из первого закона термодинамики:

При этом я смог установить один, по моему мнению, замечательный факт. Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу[15]15
  Здесь и далее «Научная автобиография» Макса Планка цитируется в переводе В. С. Кудрявцева.


[Закрыть].

Планк также писал о своем конфликте с Оствальдом:

Горьким испытанием в моей научной жизни являлось то, что лишь изредка мне удавалось – а точнее, никогда не удавалось – получить всеобщее признание какого-нибудь нового утверждения, правильность которого я мог доказать совершенно строго, но только теоретически. Так же вышло и на этот раз. Вся моя аргументация не была услышана. Ведь нельзя было выступать против таких авторитетов, как В.Оствальд, Г.Гельм, Э.Мах.

К счастью, Планк смог добиться всеобщего признания своего закона излучения – опять же благодаря не теоретическому доказательству, а экспериментальному подтверждению.

В последние годы среди физиков-теоретиков, особенно теоретиков струн, проявляется тенденция принижать значение экспериментальных подтверждений. Многие даже заявляют, что Коперник по предсказательной силе не превосходил Птолемея. Я решил сам проверить это утверждение, заглянув в записи Тихо Браге. Я обнаружил, что с 1564 до 1601 года Тихо провел 294 собственных наблюдения, сравнивая предсказания Коперника и предсказания Птолемея. Как я и ожидал, превосходство было за Коперником. Так что экспериментальное превосходство теории Коперника над теорией Птолемея было подтверждено задолго до Галилея. Можно сказать, что я проверил теорию «Коперник был не лучше Птолемея» при помощи ретроспективного эксперимента и нашел ее ошибочной: Коперник побеждает Птолемея.

Как было при зарождении современной науки, так должно быть и сейчас. Экспериментальное подтверждение – это критерий подлинной науки. Поскольку теоретики струн не смогли предложить никакого метода экспериментального подтверждения теории струн, то теория струн должна быть отправлена на пенсию – сегодня, сейчас.

У нашего мира всего три измерения в пространстве
Гордон Кейн

Почетный профессор физики Массачусетского технологического института. Автор книги Super Symmetry and Beyond: From the Higgs Boson to the New Physics[16]16
  Гордон Кейн. Суперсимметрия. От бозона Хиггса к новой физике / пер. Е. А. Литвиновича. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015.


[Закрыть].

Физические теории обычно предсказывают такие явления окружающего мира, которые мы не можем наблюдать непосредственно. Например, теория электромагнетизма Максвелла правильно предсказала, что световой спектр, который мы видим, – это только часть полного спектра, включающего инфракрасные и ультрафиолетовые волны, невидимые для нас. Теория струн предсказывает, что наш мир имеет больше трех пространственных измерений. В противоположность многому из того, что пишут и говорят об этой теории, в широком смысле она обладает предсказательной силой и поддается проверке. Прежде чем объяснить ее проверяемость, я опишу, почему огромного прогресса в создании всеобъемлющей теории нашего физического мира можно добиться, формулируя теории в более чем трех пространственных измерениях. Вслед за Стивеном Вайнбергом я назову эту идею Окончательной теорией.

Что мы можем получить, отказавшись от представления о пространственной трехмерности нашего мира? Теория струн появилась, когда летом 1984 года Джон Шварц и Майкл Грин заметили, что возможно написать математически состоятельную квантовую теорию гравитации в десяти измерениях. Это большое достижение и ключ ко многим тайнам. Для меня и некоторых других теоретиков еще важнее тот факт, что теория струн обращается ко всем – или почти всем – темам и вопросам, на которые нужно найти ответы, чтобы построить Окончательную теорию. Здесь за последнее десятилетие был достигнут большой прогресс. Первоначальный преувеличенный энтузиазм струнных теоретиков привел к тому, что сначала теория была переоценена, однако сейчас это постепенно уравновешивается растущим числом результатов. Очень успешные и хорошо проверенные четырехмерные – так называемые Стандартные – модели физики частиц и космологии дают впечатляющие, точные и полные (с открытием бозона Хиггса) описания видимого мира. Но они не дают объяснений и понимания ряда проблем, которые ставит теория струн. Успех Стандартной модели (моделей) – это убедительное свидетельство того, что, опираясь на идею четырехмерного мира, можно выйти за рамки описания и перейти к объяснению и пониманию.

Чтобы объяснить нашу Вселенную, струнные теории в пространствах более высоких размерностей должны, очевидно, проецироваться на четырехмерную вселенную – процесс, который называется (по историческим причинам) вполне понятным, но не очень удачным словом «компактификация». Эксперименты и наблюдения приходится проводить в нашей 4-D Вселенной, поэтому непосредственной проверке поддаются только компактифицированные теории. Компактифицированные струнные теории задаются следующими вопросами: почему Вселенная состоит в основном из вещества, а не из антивещества? Что такое темная материя? Почему кварки и лептоны организуются в три подобных друг другу семейства (поколения), и каковы массы кварков и лептонов самих по себе? Существует ли механизм Хиггса, и как именно он обеспечивает массу кварков, лептонов и переносящих взаимодействия бозонов? Какова космологическая история от конца инфляции до формирования атомных ядер (после чего вступает в дело Стандартная модель), какова причина инфляции, и многие другие вопросы.

Компактифицированные струнные теории успешно предсказали (до измерений) массу и свойства бозона Хиггса, открытого в 2012 году в ЦЕРНе, и предсказывают существование «суперсимметричных партнерских частиц» (некоторые из них ожидалось зарегистрировать в 2015 году на модернизированном коллайдере ЦЕРНа, если он будет работать, как запланировано[17]17
  К моменту сдачи книги в печать (весна 2017 года) таких сообщений получено не было. – Примеч. науч. ред.


[Закрыть]). Примеры таких частиц уже описаны в компактифицированных струнных теориях. Исследования продолжаются, еще столько всего предстоит проработать и лучше понять – а также проверить на коллайдерах и в экспериментах с темной материей и других, – но мы уже сейчас видим, что эти захватывающие возможности существуют.

В 1995 году Эдвард Виттен утверждал, что существует 11-мерная теория (он назвал ее М-теорией), которая может предложить цельную квантовую теорию гравитации и может быть различными способами спроецирована на несколько 10-мерных теорий струн. Их называют гетеротическими или теориями II типа. Эти 10-мерные теории можно было компактифицировать к 4-мерным (с 6-ю маленькими, свернутыми измерениями) и сделать поддающиеся проверке предсказания, как описывалось выше. М-теория также может быть компактифицирована непосредственно на 7-мерную свернутую (G2) множественность плюс 4 больших измерения пространства/времени.

Изучение таких теорий продолжается. Компактифицированные теории поддаются проверке традиционным путем – так же, как физические теории проверялись на протяжении четырех столетий. Фактически они проверяемы в том же смысле, как второй закон Ньютона (F = ma). Соотношение F = ma не проверяемо в общем и целом, а только применительно к одной силе каждый раз – имея заданную силу и массу объекта, вы вычисляете ускорение и сравниваете результат вычисления с результатами измерения. Сходным образом форма, которую принимают для компактифицированных М/струнных теорий маленькие дополнительные измерения, позволяет делать вычисляемые и проверяемые предсказания.

Хороший пример того, в каких вопросах могут помочь струнные теории, дает проблема массы бозона Хиггса. В Стандартной модели массу бозона Хиггса предсказать совершенно невозможно. Расширение Стандартной модели до так называемой Суперсимметричной стандартной модели предсказывает верхнюю границу массы бозона Хиггса, но не может точно предсказать саму массу. Компактифицированная М-теория позволяет сделать предсказание, и я со своими студентами и коллегами его сделал в 2011 году, с точностью до нескольких процентов, еще до измерений ЦЕРНа, – и это предсказание было подтверждено данными, полученными позднее.

Если мы хотим понять и объяснить наш мир, выйдя за рамки пусть даже исчерпывающего математического описания, мы должны с полной серьезностью отнестись к 10-мерным струнным теориям или к 11-мерной М-теории и продолжать разрабатывать эти теории, компактифицируя их к нашему видимому 4-мерному миру. Часто говорят, что струнные теории очень сложны. На самом деле компактифицированные М/струнные теории – это, похоже, самые простые из идей, способных охватить и интегрировать все явления физического мира в одну логичную и последовательную математическую теорию.

Аргумент «естественности»
Питер Войт

Математический физик, Колумбийский университет. Автор книги Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law («Даже не ошибка: Провал теории струн и поиск единства в физических законах»).

Для всех, кто сейчас следит за фундаментальной физикой и размышляет о ней, последний вопрос Edge.org очень прост, и ответ на него очевиден: на пенсию пора теории струн. Идея унифицировать физику, предложив струны, движущиеся в 10 измерениях пространства-времени, в качестве фундаментальных сущностей, родилась в 1974 году и спустя 10 лет стала главной парадигмой унификации. После 40 лет исследований и десятков тысяч опубликованных работ мы узнали только одно: это пустая идея. Она не способна ничего предсказать о чем бы то ни было, поскольку вы можете получить практически любую физику, соответствующим образом выбрав, как сделать 6 из 10 измерений невидимыми.

Несмотря на это, сторонники идеи унификации посредством теории струн отказываются признавать ее провал и часто приводят блестящий пример из воспоминаний Макса Планка, который говорил о том, что происходит, когда ученые стареют, сохраняя верность идеям, которые должны быть отброшены (см. с. 106. – Ред.). Но вместо того чтобы отказаться от ошибочной идеи, ее сторонники, как мы слышим в последнее время, призывают отказаться от общепринятых представлений о научном прогрессе. Согласно теоретикам струн, мы живем в глухом углу Мультивселенной, в которой «возможно всё», а это «возможно всё» идеально описывается теорией струн, так что фундаментальная физика себя исчерпала.

Однако назвать теорию струн в качестве единственного ответа на вопрос, какой научной идее пора в отставку, было бы излишним упрощением. Да, идея унификации посредством теории струн уже давно себя изжила, но эта идея – всего лишь одна из обширного круга ошибочных теорий, появившихся в те же годы. В их число входят схемы так называемого Великого объединения, постулирующие существование новых взаимодействий и частиц и обычно ссылающиеся на некую новую «суперсимметрию», которая связывает известные взаимодействия и частицы с невидимыми «суперпартнерами». Надо сказать, что помимо обнаружения предсказанной частицы Хиггса, еще одним великим открытием, сделанным на Большом адронном коллайдере, был тот факт, что этих суперпартнеров, предсказанных многими теоретиками, не существует.

Эпоха до и после 1974 года принесла нам не только теорию струн, Великое объединение и суперсимметрию, но и нечто, именуемое аргументом «естественности». Мысль здесь в том, что наша лучшая модель физики частиц, Стандартная модель – это всего лишь «эффективная теория», приближение, актуальное только в масштабе наблюдаемых расстояний. Покойный Кеннет Уилсон учил нас, как пользоваться методом «ренормализационной группы» (renormalization group) не только для того, чтобы экстраполировать поведение теории на короткие расстояния, которые мы не можем наблюдать, но и действовать в обратном порядке, то есть находить эффективную теорию для фундаментальной теории, определенной на ненаблюдаемо коротких расстояниях.

«Естественность» стала частью спекулятивной картины, появившейся в середине 1970-х: сложная новая физика, включающая ненаблюдаемые струны и ненаблюдаемых суперпартнеров, постулированная для очень коротких расстояний, причем «естественная» теория и была тем единственным, что оставалось видимым для нас. В этой картине как раз техническая «естественность» гарантирует, что мы не можем видеть никаких сложностей, привнесенных ненаблюдаемо малыми струнами или суперпартнерами.

Уилсон был одним из первых, кто указал, что Стандартная модель является в основном «естественной», хотя и не полностью таковой, имея в виду поведение частицы Хиггса. Сначала он доказывал, что это означает, что с энергиями Большого адронного коллайдера (БАК) мы должны увидеть не частицу Хиггса, а что-то другое. Сторонники идеи суперпартнеров доказывали, что такие частицы должны существовать примерно при таких же энергиях, как и частица Хиггса, поскольку – если так – их можно было бы использовать, чтобы отменить «неестественность». Задолго до того, как запустили БАК, Уилсон отмел этот аргумент как грубо ошибочный, решив, что нет никаких веских причин не увидеть «неестественную» частицу Хиггса. Чувствительность его поведения к тому, что происходит на очень коротких расстояниях, не является веским аргументом против этого, поскольку мы просто не знаем, что именно происходит на таких расстояниях.

Наблюдение в БАК частицы Хиггса (но не суперпартнеров) вызвало среди теоретиков великое оцепенение. Случилось нечто такое, чего просто не могло быть, – в этом были согласны все доказательства, полученные за последние 40 лет и уже закрепленные в учебниках. Выдвигаются предположения, что это еще одно свидетельство в пользу существования Мультивселенной. С этой «антропной» точки зрения, пусть что-то происходит на коротких расстояниях где-то в далеких вселенных-пузырьках, разбросанных по Мультивселенной, но в нашей Вселенной-пузырьке мы видим нечто «неестественно» простое, потому что иначе нас бы здесь не было. Появление таких доводов показывает, что отправить в отставку аргумент «естественности» (вместе с запредельной сложностью теории струн и суперпартнеров) нужно было уже давно.