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].
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].
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]). 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.
