Уродливая Вселенная - Сабина Хоссенфельдер

* * *

Альтернативная история теории струн звучит так: теория струн изначально развивалась как кандидат на описание сильного ядерного взаимодействия, но физики быстро поняли, что другая теория, квантовая хромодинамика, подходит для этого лучше. Тем не менее они заметили, что струны обмениваются взаимодействием, которое сильно походит на гравитацию, – и струны получили новую жизнь как претенденты на теорию всего.

Примечательно, что струны естественным образом совмещаются с суперсимметрией, которая была независимо открыта как самое общее расширение пространственно-временных симметрий. Еще примечательнее, что, хотя исходно найдено было несколько различных типов теории струн, все они оказались связаны друг с другом «преобразованиями дуальности». Такие преобразования определяют объекты, описываемые в одной теории, с помощью объектов, описываемых в другой, тем самым показывая, что обе теории – альтернативные описания на самом деле одной и той же физики. Это натолкнуло специалиста по теории струн Эдварда Виттена на предположение, что существует бесконечное число теорий струн, связанных между собой, и все эти теории вбирает в себя более общая, единая «М-теория».

И струны продолжили удивлять физиков. В середине 1990-х физики заметили, что это теория не только струн, но и многомерных мембран, или, коротко, «бран». Вооружившись новым открытием, специалисты по теории струн смогли изучать многомерные аналоги черных дыр и вывели уже известные законы термодинамики обычных черных дыр. Это неожиданное соответствие убедило даже скептиков в том, что теория струн должна быть физически значимой. В то время как физика черных дыр все еще хранит свои тайны, специалисты по теории струн неумолимо приближаются к решению оставшихся проблем.

Физическая интуиция специалистов по теории струн привела еще и к математическим открытиям, особенно в отношении геометрических форм компактифицированных дополнительных измерений – так называемых многообразий Калаби – Яу 153. Физики, например, обнаружили, что пары геометрически очень разных многообразий Калаби – Яу связаны зеркальной симметрией. От математиков эта догадка ускользнула. С тех пор она породила много дальнейших исследований. Теория струн также позволила математику Ричарду Борчердсу доказать «гипотезу чудовищного вздора», связывающую самую большую из известных групп симметрии – группу-монстра – с определенными функциями 154. Хитроумная связь между теорией струн и математикой группы-монстра недавно вдохновила других ученых на то, чтобы оценить потенциальную значимость группы-монстра для понимания квантовых свойств пространства-времени.

Исследования в области теории струн также обеспечили важнейшее открытие в фундаментальной физике последних десятилетий – «калибровочно-гравитационную дуальность». Эта дуальность тоже устанавливает соответствие между структурами двух разных теорий, показывая, что обе на самом деле описывают одинаковую физику. Калибровочно-гравитационная дуальность подразумевает, что некоторые типы гравитационных теорий могут быть эквивалентным образом переформулированы как калибровочные теории, и наоборот[85]. Это означает, в частности, что физики могут использовать общую теорию относительности, чтобы производить вычисления, прежде математически невыполнимые.

Из этой дуальности следует нечто совершенно поразительное. Двойственные теории работают в разном числе измерений: пространство-время калибровочной теории имеет на одно пространственное измерение меньше, чем пространство-время теории с гравитацией. Это означает, что наша Вселенная – включая нас самих – может быть математически сжата в два пространственных измерения. Как голограмма, Вселенная только кажется трехмерной, а в действительности может быть закодирована на плоскости.

И это не просто новый взгляд на мир. Специалисты по теории струн также применили калибровочно-гравитационную дуальность к ситуациям с кварк-глюонной плазмой и высокотемпературными сверхпроводниками, и хотя количественные результаты еще не получены, качественные выглядят многообещающе.

Обе изложенные истории теории струн правдивы. Но ведь гораздо веселее выбрать одну и игнорировать другую.

* * *

Помимо того, что Джо написал один из первых учебников по теории струн, он еще сыграл важную роль в развитии теории, поскольку первым продемонстрировал, что теория струн не описывает исключительно одноразмерные объекты, но и содержит многомерные мембраны. Всего пару дней назад он опубликовал статью, в которой изложил свои размышления о том, полезны ли неэмпирические критерии для оценки перспектив теории, в данном случае – теории струн.

Я пожимаю руку его жене и сыну. Сняв обувь, на цыпочках прохожу по ковру и утопаю в кресле.

«Что вы думаете насчет идеи Рихарда Давида о неэмпирической оценке теорий?» – начинаю я.

«Я не понимаю, что значат эти слова, – отвечает Джо. – Я всего лишь скромный физик, пытающийся понять мир. Но подозреваю, что Давид говорит о чем-то довольно близком моему собственному образу мыслей. Если я задаюсь вопросами: “Над чем я хочу работать, если принять во внимание все указания, что я в своей жизни накопил?”, “Какие направления самые многообещающие?”, “Какие направления вероятнее всего приведут к успеху?”, то мне приходится делать подобную оценку. И я верю, что есть указания – я насчитал шесть типов, – подтверждающие, что теория струн – верное направление»155.

«Некоторые вещи, о которых говорит Давид, вроде бы совпадают с тем, как вижу проблему я. Но в то же время эти слова – “неэмпирическая”… О них я не думаю».

Он смотрит на меня выжидательно.

«Полагаю, что Давид имеет в виду именно то, что вы сказали, – соглашаюсь я. – И мы определенно принимаем в расчет другие факты помимо данных; так, по всей видимости, всегда и было. Однако сейчас задержка по времени между выдвижением гипотезы и ее проверкой стала очень большой, что делает оценку теорий иными способами, кроме как с помощью данных, все важнее».

«Да, – говорит Джо. – [Макс] Планк понял это больше ста лет назад: между тем, что они тогда могли измерить, и тем, куда нам, видимо, придется пойти, двадцать пять порядков величины. Сегодня эти две области все еще разделены пятнадцатью порядками. Есть сильная надежда, что мы сумеем увидеть что-то на низких энергиях, – это ваша тема, феноменология квантовой гравитации: попытка изыскивать все возможные способы видеть вещи, которые были бы доступны на низких энергиях. Увы, пока ничего не обнаружено, хотя всем нам очень бы хотелось обратного».

«Думаю, – продолжает он, – вы приложили много усилий, чтобы отделить идеи, которые звучат как хорошие, от тех, которые таковыми не кажутся. Я действительно вижу в вас того, кто сам лично сильно старался. Это важное дело. И вообще-то поистине неблагодарное, ведь количество плохих идей растет куда быстрее, чем число хороших. А зачастую гораздо больше времени уходит на то, чтобы разобраться, почему что-то неверно, чем породить нечто неверное».