Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

В теории струн была одна вещь, раздражавшая многих релятивистов: в ней, как в любом ковариантном подходе к квантовой гравитации, казалось, исчезала главная и основополагающая вещь — геометрия пространства-времени. Все сводилось к описанию взаимодействия, примерно как в объединившей в себе три вида взаимодействий стандартной модели, а также к способу его квантования. Небольшая группа релятивистов предпочитала двигаться вперед другой дорогой — через принятый Уиллером и отвергнутый Девиттом канонический подход. Он допускал разработку квантовой теории самой геометрии. В середине 1980-х перспективное решение было найдено индийским релятивистом Абэем Аштекаром. Это был преданный своему делу ученый из Сиракьюзского университета. Он нашел гениальный способ переписать уравнения Эйнштейна таким образом, чтобы оттуда исчезла ужасная нелинейность, в результате общая теория относительности приобрела намного более простой вид. Хитрость Аштекара неожиданным образом разблокировала уравнения Эйнштейна и позволила трем молодым релятивистам «поиграть» с их квантовой природой.

Как и Брайс Девитт, Ли Смолин увлекся квантовой гравитацией сразу же после поступления в аспирантуру в Гарварде в 1970-х. Его научный руководитель Сидни Коулмен дал ему возможность с головой погрузиться в эту тему, работая в Брандейском университете со Стенли Дезером. Школярские попытки квантования гравитации с треском провалились, но Смолин сохранил страстное желание решить эту задачу. И только в Йельском университете, будучи уже доцентом кафедры, он обнаружил, насколько хитрость Аштекара облегчила его работу. В Йеле Смолин начал сотрудничать с Теодором Якобсоном, бывшим студентом Сесиль Девитт-Моретт из Техасской релятивистской группы. Смолин и Якобсон обнаружили, что намного проще рассматривать не квантовые свойства геометрии в изолированных точках пространства в зависимости от времени, а набор точек, по сути, исследуя фрагменты пространства в определенные моменты времени. В их случае естественными строительными кирпичиками для квантовой теории стали петли в пространстве, позволяющие находить решения уравнения Уиллера-Девитта. Казалось, все встало на свои места и появился новый способ представления квантовой геометрии. Петли могли связываться друг с другом и переплетаться, образуя подобие кольчуги или другой замысловатой ткани. При этом, как и в случае с тканью, при наблюдении с большого расстояния переплетения нитей исчезают и появляется гладкое искривленное пространство-время из теории Эйнштейна. Подход Смолина и Якобсона был назван петлевой квантовой гравитацией.

К исследованиям Смолина присоединился молодой критически настроенный физик из Италии Карло Ровелли, также делавший первые шаги в нереально сложной алгебре квантовой гравитации. Ровелли нравилось быть бунтарем. В студенческие годы в Риме он создал альтернативную радиостанцию, преследовался властями за свои политические взгляды и чуть не попал в тюрьму за отказ от воинской службы. Ему подходили альтернативные воззрения. Смолин и Ровелли развили петлевой подход, исследовав, каким образом петли могут соединяться друг с другом, переплетаться и завязываться в узел. При этом они двигались от общей геометрии пространства ко все более детальным и фрагментарным представлениям. В середине 1990-х они натолкнулись на старую идею, которую Роджер Пенроуз использовал для описания квантовых систем в терминах простого математического наполнения. Пенроуз называл это спиновой сетью. Напоминающая детский гимнастический снаряд «паутинка», структура представляет собой сеть из связанных друг с другом вершин, каждая из которых обладает определенными квантовыми свойствами. Ровелли и Смолин показали, что такие сети будут наилучшими решениями уравнения Уиллера-Девитта. Но они сильно отличаются от интуитивного представления пространства и времени, с которыми привыкли работать все релятивисты.

Спиновые сети Ровелли и Смолина стали совершенно новым взглядом на квантовую гравитацию. В предложенной ими модели пространства на квантовом уровне не существует — оно, как вода, разбито на атомы или молекулы. На макроскопическом уровне вода выглядит гладкой и однородной, в то время как на самом деле она состоит из молекул, то есть небольших групп протонов, электронов и нейтронов, плавающих в пустом пространстве и слабо связанных друг с другом силой электрического взаимодействия. Совершенно аналогично, согласно воззрениям Ровелли и Смолина, пространство может казаться однородным, но перестает существовать при взгляде на него через мощный микроскоп. В их теории, если взглянуть с расстояния, не превышающего триллионной от триллионной сантиметра, вместо пространства появляется решетка, или сеть.

Теория петлевой квантовой гравитации стала реальным конкурентом теории струн в попытках квантования гравитации. Она и ее производные явились канонической альтернативой ковариантному подходу, выражавшемуся теорией струн. Ее поборники не пытались объединять все взаимодействия, но, взяв в качестве отправной точки геометрию, попытались сохранить красоту изначальной идеи Эйнштейна, выраженную в общей теории относительности. Как ни парадоксально, при этом они отказались рассматривать представления о пространстве-времени как нечто фундаментальное.

На лекции, которую Брайс Девитт читал в 2004 году незадолго до своей смерти, он поражался тому, как сильно изменились представления о квантовой гравитации: «При взгляде на теорию струн поражаешься, насколько сильно за пятьдесят лет поменялись роли. Раньше гравитация считалась безобидным фоном, не имеющим отношения к квантовой теории поля. Сейчас же она играет центральную роль. Ее наличие оправдывает теорию струн! В английском языке есть поговорка: “Нельзя сделать шелковый кошель из свиного уха”. В начале семидесятых теория струн была свиным ухом. Никто не воспринимал ее как фундаментальную теорию… В начале восьмидесятых картина перевернулась с ног на голову. Теория струн внезапно потребовалась для объяснения гравитации и прочих связанных и не связанных с ней вещей. С этой точки зрения она превратилась в шелковый кошель».

Над теорией струн Девитт никогда не работал, но вектор его пристрастий был вполне четким. Канонический подход вызывал у него намного меньший энтузиазм. Он ненавидел уравнение Уиллера-Девитта, к появлению которого в свое время приложил руку. Он считал, что «место этого уравнения на свалке истории», потому что, кроме всего прочего, «оно нарушает сам дух относительности». Фактически, с точки зрения Девитта, «уравнение Уиллера-Девитта было некорректным… Им нельзя пользоваться ни как определением квантовой гравитации, ни как основой для подробного и углубленного анализа». Работу Абэя Аштекара над своим уравнением он назвал «элегантной», но добавил, что «в отрыве от такого без сомнения важного результата, как модель “спиновой пены”, я считаю эту работу неуместной». Неприязнь Девитта была отражением популярного в теоретической физике взгляда: теория струн становилась приоритетной.

Приверженцы теории струн наслаждались, как им казалось, своим успехом. Вернувшийся в Лондон Майкл Дафф объявил: «Мы достигли огромного прогресса как в теории струн, так и в М-теории. И это касается лишь попыток унификации». Многие теоретики были убеждены в скором открытии суперсимметрии и дополнительных измерений, в результате чего теория струн останется единственным возможным подходом. Сам Стивен Хокинг говорил, что «М-теория является единственным кандидатом на роль полной теории Вселенной». На вопрос о конкурирующем каноническом подходе, рассматриваемом многими в качестве законного преемника разработанной Уиллером философии квантования гравитации, Дафф ответил упреком в смешении понятий «квантовой гравитации» и «петлевой квантовой гравитации». И в этом он был не одинок. «Они даже не могут рассчитать поведение гравитона. Как они собираются убедиться в собственной правоте?» — спрашивает убежденный сторонник теории струн Филипп Канделас.

В середине 2000-х глубоко укоренившийся антагонизм между приверженцами различных подходов к проблеме квантовой гравитации вышел наружу. В течение многих лет в блогах и популярных физических журналах появлялись комментарии к статьям известных ученых мужей, ставящие под сомнение господство теории струн в теоретической физике. В 2006 году вышли две книги, утверждающие, что на самом деле теория струн разрушает будущее физики. Их авторы — один из апологетов петлевой квантовой гравитации Ли Смолин и физик Питер Войт из Колумбийского университета — утверждали, что впечатлительных молодых физиков привлекают к работе в области, которая почти за тридцать лет еще не представила осязаемых результатов объединения взаимодействий и объяснения квантовой гравитации. По их мнению, в научных кругах доминировали сторонники теории струн, принимавшие на работу тех, кто разделял их взгляды, и мешавшие продвижению молодежи, не придерживающейся «линии партии». Как в 2005 году писал Смолин: «Многих раздражает то, что данное сообщество, позиционирующее себя как доминирующее — и действительно доминирующее во многих местах Соединенных Штатов, — не заинтересовано в плодотворной работе в других областях. Скажем, на устраиваемые нами конференции по квантовой гравитации мы пытаемся приглашать приверженцев всех основных теорий, в том числе теории струн. И дело не в наших высоких моральных качествах; просто так принято. Но на ежегодной международной конференции по теории струн ничего подобного не происходит». Блогосферу заполнили дебаты, так как взволнованный атаками лагерь сторонников теории струн решил расставить все по своим местам. Заявления, публикуемые на «физических» сайтах, собирали сотни комментариев, представлявших собой смесь технических деталей, умствований и откровенного невежества. Все рвались высказать свое мнение.