Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

А как насчёт ядер – микроскопических положительно заряженных «солнц» в центре миниатюрных атомных планетных систем? Могли бы мы теоретически вывести существование протона и нейтрона? Обнаружить протон не составило бы большого труда. Первый шаг в этом направлении сделал Дальтон ещё в 1808 году, обнаружив, что массы всех атомов относятся друг к другу как целые числа, откуда закономерно вытекает, что атомные ядра построены из набора одинаковых кирпичиков. Кроме того, поскольку заряд ядра почти всегда меньше атомной массы, логично предположить, что кирпичики, из которых сложено ядро, не все имеют один и тот же заряд. Простейшим выводом будет предположение, что частицы, составляющие ядро, могут быть двух типов: положительно заряженные и нейтральные, причём массы положительно заряженных и нейтральных частиц одинаковы. Умные теоретики пришли бы к такому выводу в кратчайшие сроки.

Или не пришли бы? Есть одна вещь, которая может ввести их в заблуждение, и я не знаю, как надолго. Существует возможность более простого объяснения структуры ядра, чем предположение о существовании протонов и нейтронов – это объяснение вообще не требует введения новой частицы. Ядро может представляться набором протонов с застрявшими в нём электронами, число которых меньше, чем число протонов. Например, 6 электронов, застрявших в куче из 12 протонов, могут интерпретироваться как ядро атома углерода, состоящее, как сейчас известно, из 6 протонов и 6 нейтронов. Масса нейтрона близка к суммарной массе протона и электрона. Разумеется, пришлось бы ввести новый тип сил: обычные электростатические силы, действующие между электроном и протоном, недостаточно сильны, чтобы удержать в ядре лишние протоны, заряд которых не скомпенсирован зарядом застрявших электронов. Для новой силы пришлось бы придумывать новую частицу-переносчик этого взаимодействия. Возможно, в конце концов они бы вернулись к нейтрону, решив, что это не такая уж и плохая идея.

Тем временем Эйнштейн разработал свою теорию гравитации, и любопытные физики принялись исследовать его уравнения. Здесь опять же нам нет необходимости гадать, как всё могло бы быть, потому что история уже всё предугадала за нас. Карл Шварцшильд нашёл решения уравнений Эйнштейна ещё до того, как тот завершил разработку своей теории. Решение Шварцшильда известно сегодня под названием чёрной дыры. Эйнштейн сам вывел существование гравитационных волн, которые в конечном итоге привели к идее гравитона. Большинство этих решений не требует для своего получения ни экспериментов, ни наблюдений. Следствия общей теории относительности были выведены безотносительно к тому, правильна эта теория или нет, имеет она экспериментальные подтверждения или не имеет. Даже современная теория чёрных дыр, с которой мы столкнёмся в десятой главе этой книги, использует только решение Шварцшильда в сочетании с простейшими идеями квантовой теории поля.

Могли ли теоретики додуматься до полной структуры Стандартной модели? С протонами и нейтронами более-менее понятно, а как же кварки, нейтрино, мюоны и всё прочее? Я не вижу никаких путей, ведущих к ним. Но касательно фундаментальных теоретических основ: теории Янга – Миллса – здесь, как мне кажется, нет никаких сомнений. Все необходимые эксперименты к этому времени уже были поставлены, и все данные получены. В 1953 году, не имея никакой другой мотивации, кроме обобщения теории Калуцы на ещё одно дополнительное измерение, один из величайших физиков в истории создал математическую теорию, которая сегодня называется неабелевой калибровочной теорией. Вспомним, что Калуца добавил новое измерение к трём пространственным и тем самым получил единое описание гравитации и электродинамики. Паули, чтобы добавить ещё одно измерение и получить в общей сложности 5 + 1-мерное пространство, свернул два дополнительных измерения в крошечную 2-сферу. И что же у него вышло? Он обнаружил, что два дополнительных измерения порождают теорию нового вида, подобную электродинамике, но с новыми особенностями. Вместо одного фотона список частиц теперь содержал три фотоноподобные частицы. И что любопытно, каждый фотон нёс заряд: он мог испускать любой из двух других фотонов. Это был первый вариант неабелевой калибровочной теории, прообраз теории Янга – Миллса.[88] Сегодня мы считаем неабелевы калибровочные теории основой для всей Стандартной модели. Глюоны, фотоны, Z-бозоны и W-бозоны являются простыми обобщениями трёх фотоноподобных частиц Паули.

Как я уже сказал, у теоретиков не было бы никаких шансов построить Стандартную модель, содержащую кварки, мюоны и нейтрино и бозоны Хиггса. И даже если бы они придумали что-либо подобное, это, скорее всего, осталось бы одной из дюжин аналогичных бесперспективных гипотез. Но я думаю, что существует вероятность, что им удалось бы найти основные теоретические ингредиенты.

Сумели бы они построить теорию струн? Создание теории струн служит хорошим примером, иллюстрирующим внутреннюю механику мыслительной работы теоретика. Опять-таки, абсолютно без какой-либо экспериментальной основы струнные теоретики возвели монументальное математическое здание. История построения теории струн полна случайностей, поэтому к ней можно было прийти множеством других путей. Струноподобные объекты играют важную роль в неабелевых калибровочных теориях. Другим возможным путём возникновения теории струн является вывод её из гидродинамики – теории, описывающей течение жидкости. Вспомните, как выглядит воронка, образуемая спускаемой из ванны водой. В центре воронки формируется длинная змееобразная трубка из вращающейся воды, напоминающая струну. Другим примером служит формируемый вращающимся воздухом «хобот» торнадо. Ещё один пример: дымовое кольцо, выпускаемое курильщиком, в котором воздушный вихрь образует замкнутую петлю. Могли ли гидродинамики, пытаясь описать подобные вихревые движения, создать некое подобие теории струн? Мы этого никогда не узнаем, но это не повод отказываться от подобной гипотетической возможности. Не следует ли современным физикам попытаться применить методы гидродинамики к квантовой теории гравитации и получить что-то похожее на замкнутую вихревую струну, ведущую себя как гравитон? Почему бы и нет.

С другой стороны, могут возразить мне скептики, на каждую перспективную идею обычно приходится сотня тупиковых. Без экспериментов, дисциплинирующих теоретиков, ограничивая их безумные фантазии, невозможно выделить правильные идеи из этого интеллектуального хаоса.

Позиция скептиков весьма сильна. Не исключено, что они правы. Но существует возможность применения к теоретическим идеям дарвиновского отбора: хорошие идеи при этом выживают, а плохие гибнут. Хорошие идеи, как правило, приводят к появлению новых хороших идей, а плохие заводят в тупик. Одним из критериев хорошей теории может служить её математическая согласованность. Возможно, подобный критерий был бы способен в какой-то мере дисциплинировать теоретиков, сорвавшихся с цепи, на которой их держит эксперимент.

Способны ли физики, живя сто лет без экспериментов, идти тем путём, который я обрисовал? Кто знает… Я не утверждаю, что физика пойдёт таким путём, я утверждаю, что она могла бы им идти. Я уверен, что в попытках определить пределы человеческой изобретательности мы более склонны недооценивать, чем переоценивать, её границы.

Сегодня, оглядываясь назад, я понимаю, что в 1995 году я испытывал очень серьёзный недостаток воображения, говоря только об изобретательности теоретиков. Пытаясь утешить на том банкете себя и других физиков относительно плохих перспектив получения новых экспериментальных данных, я сильно недооценил изобретательность, воображение и творческий потенциал экспериментаторов. С тех пор они совершили революционный прорыв в получении новых космологических данных, о чём я уже писал в главе 5. В последней главе этой книги я расскажу о других интересных экспериментах, которые предполагается поставить в ближайшем будущем, а сейчас давайте вернёмся к теории струн и посмотрим, каким образом она создаёт гигантский ландшафт возможностей.

Глава 10. Браны в основании вселенской машины Руба Голдберга

Теперь мы переходим к сути вопроса. Апелляции к той или иной форме антропного принципа с целью объяснить устройство Вселенной не новы. По-настоящему новой идеей, взорвавшей научное сообщество, вызвавшей ожесточённые споры среди физиков и явившейся причиной написания этой книги, стала идея о том, что ландшафт теории струн содержит огромное число разнообразных долин. Более ранние теории, такие как КЭД (теория фотонов и электронов) и КХД (теория кварков и глюонов), господствовавшие на протяжении всего XX века, описывали очень скучные ландшафты. Стандартная модель, как бы она ни была сложна, содержит только один вариант вакуума. Эти теории не оставляли нам вариантов выбора вакуума, в котором мы живём.