Ли Смолин - Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует
Но предположим на минуту, что, несмотря на все препятствия, мы все еще серьезно ожидали получить идеи по единому полю. Могли ли эти теории быть сформулированы на языке квантовой теории? Ответ был безоговорочно: нет. Никто не знал в то время, как сделать даже ОТО согласующейся с квантовой теорией. Все ранние попытки сделать это провалились. Когда вы добавляли больше измерений или больше искажений в геометрию, вещи всегда становились хуже, а не лучше. Чем больше число измерений, тем быстрее уравнения вырываются из-под контроля, раскручиваясь в бесконечные величины и противоречия.
Так что, хотя идея унификации с привлечением высших размерностей была очень привлекательной, от нее отказались, и по веской причине. Она не делала проверяемые предсказания. Даже если такая теория производила специальные решения, которые описывали наш мир, имелось, как отмечалось, намного больше решений, которые наш мир не описывали. А те несколько решений, которые описывали, были нестабильными и могли легко эволюционировать в сингулярности или в миры, совершенно не похожие на наш собственный мир. И, наконец, они не могли быть согласованы с квантовой теорией. Запомним эти причины – еще раз, потому, что успех или неудача новейших предложений по унификации, таких как теория струн, зависит от того, смогут ли они решить эти настоящие проблемы.
К тому времени, когда я начал изучение физики в начале 1970х, идея объединения гравитации с другими силами была так же мертва, как и идея непрерывной материи. Это был урок глупости некогда великих мыслителей. Эрнст Мах не верил в атомы, Джеймс Клерк Максвелл верил в эфир, а Альберт Эйнштейн занимался поисками единой теории поля. Жизнь непростая штука.
4
Объединение становится наукой
После того, как идея объединения всех четырех фундаментальных сил через придумывание новых размерностей потерпела крах, большинство физиков-теоретиков отказались от идеи связать гравитацию и другие силы, решение, которое имело смысл, поскольку гравитация значительно слабее, чем остальные три силы. Их внимание вместо этого привлек зоопарк элементарных частиц, который экспериментаторы наоткрывали на своих ускорителях частиц. Они исследовали данные в поисках новых принципов, которые могли бы, по меньшей мере, объединить все различные виды частиц.
Игнорирование гравитации означает шаг назад, к пониманию пространства и времени до ОТО Эйнштейна. Это была рискованная вещь, сделать так на долгом пути, так как это означает работать с идеями, которые уже были смещены. Но это имело и преимущества, так как этот подход привел к величайшему упрощению проблемы. Главный урок ОТО заключался в том, что нет фиксированной геометрии пространства и времени; игнорирование этого означало, что вы можете просто выбрать фон. Это отсылает нас назад к ньютоновской точке зрения, согласно которой частицы и поля населяют фиксированный фон пространства и времени – фон, чьи свойства фиксированы навечно.
Однако, нет необходимости проходить весь обратный путь к Ньютону. Можно работать в рамках описания пространства и времени, данного в СТО Эйнштейна в 1905. В соответствии с ней геометрия пространства и времени является той, которую задал Евклид, и ее изучали многие из нас в начале высшей школы; однако, пространство и время перемешаны, чтобы приспособиться к двум постулатам Эйнштейна, относительности наблюдателей и постоянства скорости света. Теория не может адаптировать гравитацию, но это правильные установки для максвелловской теории электрических и магнитных полей.
Раз квантовая механика была полностью сформулирована, квантовые теоретики обратили свое внимание на объединение электромагнетизма с квантовой теорией. Поскольку основным феноменом электромагнетизма являются поля, унификация, которая была в итоге получена, названа квантовой теорией поля. А поскольку СТО Эйнштейна является правильным подходом к электромагнетизму, эти теории можно также рассматривать как унификацию квантовой теории и СТО.
Было очень много стимулирующих проблем, чтобы применить квантовую теорию к частицам, поскольку поле имеет величину в каждой точке пространства. Если мы предположим, что пространство непрерывно, – как это декларируется в СТО, – то получим непрерывную бесконечность переменных. В квантовой теории каждая переменная подвержена принципу неопределенности. Одно следствие заключается в том, что чем более точно вы пытаетесь измерить переменную, тем более неконтролируемо она флуктуирует. Бесконечное число неконтролируемо флуктуирующих переменных может легко отбиться от рук. Когда вы задаете вопросы теории, вы должны быть очень аккуратны, чтобы не получить бесконечные или противоречивые ответы.
Квантовые теоретики уже знали, что для каждой электромагнитной волны имеется квантовая частица, фотон. Потребовалось всего несколько лет, чтобы разработать это в деталях, но в результате получилась просто теория свободно двигающихся фотонов; следующий этап заключался в присоединении заряженных частиц, таких как электроны и протоны, и в описании, как они взаимодействуют с фотонами. Целью была полностью последовательная теория квантовой электродинамики или КЭД. Это было намного более заманчивым. Впервые КЭД была прояснена японским физиком Син-Итиро Томонагой во время Второй мировой войны, но новости не достигли остального мира до 1948 или около того. К этому времени КЭД была еще дважды независимо сконструирована молодыми американцами Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером.
Когда КЭД была понята, встала задача распространить квантовую теорию поля на сильные и слабые ядерные силы. Это заняло следующую четверть века, и ключевым моментом стало открытие двух новых принципов: Первый определил, что общего имеют электромагнетизм и эти ядерные взаимодействия. Это было названо калибровочным принципом и, как я буду описывать, привело к объединению всех трех сил. Второй принцип объяснил, почему, хотя и объединенные, эти три силы столь различны. Он был назван спонтанным нарушением симметрии. Вместе эти два принципа формируют краеугольный камень стандартной модели физики частиц. Их точное применение привело к открытию, что частицы, вроде протона и нейтрона, не являются таки элементарными; вместо этого они построены из кварков.
Протон и нейтрон каждый имеют по три кварка, тогда как другие частицы, названные мезонами, имеют два (более точно, кварк и антикварк). Это открытие было сделано в начале 1960х независимо Мюрреем Гелл-Манном в Калтехе и Джорджем Цвейгом в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Вскоре после этого Джеймс Бьоркен в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC) и Ричард Фейнман в Калтехе предложили эксперименты, которые, когда их позднее провели в SLAC, подтвердили, что протон и нейтрон на самом деле состоят из трех кварков каждый.
Открытие кварков было существенным шагом в направлении унификации, поскольку взаимодействие протонов, нейтронов и других частиц было чрезвычайно сложным. Но имелась надежда, что сами силы между кварками могут быть простыми и что наблюдаемые сложности возникают из-за того, что протоны и нейтроны являются составными объектами. Этот вид представлений был уже подтвержден ранее: в то время как силы между молекулами сложны, силы между атомами, которые их составляют, могут быть легко поняты в терминах электромагнетизма. Эта идея заставила теоретиков бросить попытки понять силы между протонами и нейтронами в фундаментальных терминах и, вместо этого, поинтересоваться, как эти силы влияют на кварки. Это редукционизм в действии – старый трюк, при котором законы, управляющие частями, часто проще, чем законы, управляющие целым, – и, в конце концов, он был награжден открытием глубокой общности, которая соединяет две ядерные силы, сильную и слабую, с электромагнетизмом. Все три взаимодействия являются следствиями простого, но мощного калибровочного принципа.
Калибровочный принцип лучше всего понять в терминах того, о чем физики говорят как о симметрии. На простом языке симметрия есть операция, которая не изменяет то, как себя ведет некоторая вещь по отношению к внешнему миру. Например, если вы вращаете мяч, вы не изменяете его, он все еще остается сферой. Так что, когда физики говорят о симметрии, они могут иметь в виду операцию в пространстве, вроде вращения, которая не изменяет результат эксперимента. Но они могут также говорить о другом виде изменения, которое мы проделываем над экспериментом, которое не изменяет его результата. Например, представим, что вы берете две группы котов – скажем, восточных котов и западных котов – и проверяете их способности к подпрыгиванию. Если нет разницы в среднем прыжке, который может сделать кот, тогда мы говорим, что подпрыгивание кота является симметричным относительно операции замены всех ваших восточных котов на западных котов.
