Никола Тесла — повелитель молний. Научное расследование удивительных фактов - Олег Фейгин

Проблема создания квантовой версии общей теории относительности не только в том, что в масштабе атомов и электронов у частиц нет определенных положений и скоростей. В еще более малых масштабах, сопоставимых с длиной Планка (~10-35 м), квантовое пространство-время должно представлять собой кипящую пену, море виртуальных частиц, заполняющее все пустое пространство. В условиях, когда вещество и пространство-время столь изменчивы, уравнения общей теории относительности теряют смысл. Если мы предположим, что вещество повинуется законам квантовой механики, а гравитация подчиняется общей теории относительности, то столкнемся с математическими противоречиями. Поэтому-то и необходима квантовая теория гравитации».

Здесь все вроде бы правильно и в то же время так странно. Как говорит мой знакомый американский физик Ли Смолин, новое поколение ученых слишком «натеоретизировано» и «наформализовано». Для нынешних молодых физиков-теоретиков любые математические неувязки в теории воспринимаются как личная трагедия вместо того, чтобы становиться стимулом к анализу природы возникшего физического парадокса. Смолин даже написал по этому поводу замечательную книгу «Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует».

Между тем Малдасена, выражая авангардистские устремления «струнных» теоретиков, настойчиво подводит нас к мысли единственности пути построения «Теории Всего»:

«В большинстве ситуаций противоречивые требования квантовой механики и общей теории относительности не представляют проблемы, поскольку или квантовые, или гравитационные эффекты оказываются настолько малыми, что ими можно пренебречь. Однако при сильном искривлении пространства-времени становятся существенными квантовые аспекты гравитации. Чтобы создать большое искривление пространства-времени, требуется очень большая масса или большая ее концентрация. Даже Солнце не способно настолько искривить пространство-время, чтобы проявления квантовых эффектов гравитации стали очевидными.

Хотя в настоящее время квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяются процессы, протекающие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства-времени, квантовая теория гравитации будет теорией квантового пространства-времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно-временная пена, упомянутая ранее.

Многообещающий подход к квантовой теории гравитации — теория струн, которую физики-теоретики разрабатывают с 1970-х годов. С ее помощью удается устранить некоторые препятствия, мешающие построить логически последовательную квантовую теорию гравитации. Однако теория струн все еще в стадии разработки: физикам пока неизвестны ни ее точные уравнения, ни фундаментальные принципы, определяющие их форму. Кроме того, есть целый ряд физических величин, значения которых невозможно вывести из имеющихся уравнений».

Признаться, когда я впервые прочитал этот «манифест “струнной теории”» в очередном номере «SCIENTIFIC AMERICAN», мне показалось, что молодые теоретики наконец-то осознали тщетность построения иллюзорного мира, принципиально непредставимого в нашей действительности. Однако похоже, что увлеченность струнными построениями еще не отошла на второй план в современной теорфизике. Вот как говорит об этом сам Малдасена:

«Представьте две копии кинофильма: одна на рулонах 70-миллиметровой пленки, другая — на DVD. В первом случае имеем дело с целлулоидной кинолентой, каждый кадр которой можно без особого труда соотнести с тем или иным эпизодом фильма. Во втором случае перед нами жесткий двумерный диск с кольцами точек, которые по-разному отражают свет лазера и образуют последовательность нулей и единиц, которую мы вообще не в состоянии воспринять. Тем не менее оба носителя “описывают” один и тот же кинофильм.

Точно так же две теории, на первый взгляд совершенно отличные по содержанию, описывают одну и ту же вселенную. DVD напоминает радужно блестящий металлический диск, а теория частиц на границе “напоминает” теорию частиц в отсутствие гравитации. Кадры фильма, записанного на DVD, появляются на экране только после соответствующей обработки битов. Квантовая гравитация и дополнительное измерение появляются из теории частиц на границе лишь тогда, когда ее уравнения правильно проанализированы».

Не правда ли, несколько странный взгляд на окружающее нас мироздание? Получается, что дополнительные физические образы проявляются инструментом матанализа, а не возникают естественным путем, как те же кванты Планка, в объективной реальности процессов излучения энергии. Тут еще надо твердо понимать, что метод аналогий аргентинского физика не является доказательным, а всего лишь иллюстрирует некоторые из его весьма неоднозначных мыслей. Впрочем, здесь есть и продолжение: «Что же означает эквивалентность двух теорий? Во-первых, для каждого объекта в одной теории должен существовать аналог в другой. Описания объектов могут быть совершенно разными: определенной частице внутри пространства может соответствовать целая совокупность частиц на его границе, рассматриваемая как единая сущность. Во-вторых, предсказания для соответствующих объектов должны быть идентичными. Например, если две частицы внутри пространства сталкиваются с вероятностью 40 %, то соответствующие им совокупности частиц на его границе также должны сталкиваться с вероятностью 40 %.

Рассмотрим эквивалентность более подробно. Взаимодействия частиц, существующих на границе, очень похожи на взаимодействия кварков и глюонов (из кварков состоят протоны и нейтроны, а глюоны создают сильное ядерное взаимодействие, связывающее кварки). Кварки обладают своего рода зарядом; его виды называют цветами, а законы их взаимодействия — хромодинамикой. В отличие от обычных кварков и глюонов частицы на границе имеют не три, а гораздо большее количество цветов.

Таким образом, голографическое соответствие — не просто новая возможность создания квантовой теории гравитации. Оно фундаментальным образом объединяет теорию струн как наиболее изученный подход к квантовой гравитации с теорией кварков и глюонов, которая является краеугольным камнем физики элементарных частиц. Более того, голографическая теория, по-видимому, позволяет составить какое-то представление о точных уравнениях теории струн. Она была придумана в конце 1960-х годов для описания сильных взаимодействий, но ее забросили, когда на сирене появилась теория хромодинамики. Соответствие между теорией струн и хромодинамикой подразумевает, что прежние усилия не пропали даром: оба описания являются различными сторонами одной и той же монеты».

Не знаю, насколько подобные призывы молодых теоретиков соответствуют действительности, но старшему поколению они более напоминают некую изощренную форму своеобразных «физико-математических заклинаний». Такую позицию полностью разделяет и Смолин, который отмечал в вышеупомянутой книге:

«Мы стоим перед парадоксом. Те теории струн, которые мы знаем, как изучать, известны как ошибочные. Те же, которые мы не можем изучить, мыслятся существующими в таких гигантских количествах, что ни один мыслимый эксперимент никогда не сможет их все опровергнуть.

Это не единственная проблема. Теория струн покоится на нескольких ключевых предположениях, для которых имеются некоторые основания, но нет доказательств. Даже хуже, после всех научных усилий, потраченных на ее изучение, мы все еще не знаем, имеется ли полная и последовательная теория, которая как раз и могла бы определяться как теория струн. Фактически, то, что мы имеем, это совсем не теория, а лишь большая коллекция приблизительна: расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы незнаем, каковы ее фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена; возможно, в будущем должен быть изобретен новый язык, чтобы описать ее. В отсутствие обоих фундаментальных принципов (подтверждаемость, фальсифицируемость) и математической формулировки мы не можем сказать, что мы знаем, о чем говорит теория струн».

Существует легенда, которую я еще студентом слышал от академика Александра Ильича Ахиезера. Она гласит, что незадолго до своей кончины величайшему физику Альберту Эйнштейну удалось-таки собрать воедино в несколько формул все известные силы в окружающем нас мире. Все свои выкладки и математические выражения гениальный ученый записал в простую школьную тетрадку, которая и получила название «Завещание Эйнштейна». Великий исследователь законов природы долго размышлял над тем, стоит ли передавать современникам свое величайшее открытие, и, в конце концов, решил, что это преждевременно. Наверное, Эйнштейн вспомнил свое участие в Манхэттенском проекте, завершившемся созданием атомной бомбы, унесшей сотни тысяч жизней при бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки… А может быть, его нежелание передать свои знания связано и с крахом филадельфийского эксперимента…