Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Итак, теория струн видоизменяет подход к теории строения материи, заменяя фундаментальные частицы в роли первичных составляющих материи различными модами колебаний единственной протяженной струны. Однако во всем остальном теория струн не вносит радикальных изменений в начала физики. И это мудро. Принципиально изменить фундаментальный каркас физической науки очень непросто. Такие изменения — крайне редкое явление в истории физики. Со времен Ньютона до эпохи Эйнштейна и Гейзенберга радикальных изменений в физике было крайне мало. Большинство попыток изменить концепции и модифицировать фундаментальные законы физики противоречат либо экспериментальным данным, либо здравой логике. Любое видоизменение фундаментальных физических законов требует предельной осторожности. Следует видоизменять как можно меньшее число принципов. И теория струн пока что изменила концептуальную модель фундаментальной физики лишь в том смысле, что вместо точечных частиц в качестве первоэлементов мы теперь имеем струны».

В этом вопросе Гроссу возражает не менее видный физик-теоретик Ли Смолин, который в своей сенсационной книге «Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует» предостерегает от необоснованных ожиданий от теории струн в будущем. Профессор Смолин категоричен во мнении, что с помощью суперструн окончательно объединить все силы природы не удастся. И сейчас физикам требуется выработать новые концепции пространства и времени для решения застарелых парадоксов квантовой гравитации и космологии. Научные амбиции таких ученых, как Гросс и Брайан Грин, прославившийся своими бестселлерами «Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)» и «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности», вызывают у Смолина глубокие сомнения. Он считает, что молодые физики потеряют слишком много времени на блуждание в дебрях суперструнных теорий, беспочвенно пытаясь революционизировать наши представления о пространстве и времени. Между тем теория струн продолжает все дальше отдаляться от реальной физики окружающего мира, и единственная ее ценность состоит в создании новых математических структур, методов и идей, о которых математики раньше просто не задумывались. Именно поэтому математики и разработчики суперструнных теорий проводят так много совместных исследований в таких сугубо абстрактных разделах математики, как алгебраическая геометрия.

В свою очередь, Д. Гросс оппонирует Л. Смолину, что теория струн, кроме всего прочего, мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Он аргументирует это следующим образом:

«Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной броне — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к броне, в то время как есть и другие измерения, возможно даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации „экстрапространства“. Примечательно, что подобные умопостроения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем на LHC[LHC — Большой андронный коллайдер.], могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных мод струн в обычных частицах».

Смолин отвечает Грину и Гроссу следующим образом:

«Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстает перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими, как ее огромный размер и существование темной энергии, мы останемся примерно с 10 500 различными струнными теориями, — что означает единицу с 500 нулями после нее, больше, чем количество всех атомов в известной вселенной. С таким чудовищным числом теорий почти нет надежды, что мы сможем идентифицировать результат эксперимента, который не был бы выполнен в рамках одной из них. Таким образом, что бы ни показывал эксперимент, теория струн не может быть опровергнута. Но обратное тоже имеет место: не будет сделано когда-либо никаких экспериментов, которые смогли бы проверить ее правильность.

В то же время мы очень мало понимаем в большинстве из этих теорий струн. И лишь малое число мы понимаем во всех деталях, каждая такая отдельная теория расходится с сегодняшними экспериментальными данными обычно по меньшей мере в двух отношениях.

Так что 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 отзываться на имя „теория струн“. Фактически то, что мы имеем, совсем не является теорией, а лишь большой коллекцией приблизительных расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, 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 даже знаем, что провозглашает теория струн».

Прислушиваясь к дискуссии этих видных физиков-теоретиков современности, нам, конечно же, хочется верить, что теория струн, так или иначе, откроет нам новые стороны окружающей объективной реальности, заполнив Вселенную космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Хотя, с другой стороны, понятно, что обычно струны крайне малы — их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, требуется поистине космическая энергия. И опять же, если считать, что наш мир возник в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка, то изначальные «зародыши» суперструн вполне могли «взрослеть» вместе со всей остальной Вселенной, раздуваясь и растягиваясь.