Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует - Ли Смолин

Одним из великих пророков является Хольгер Беч Нильсен из Института Нильса Бора. Он был изобретателем теории струн, и он имеет на своем счету много других ключевых открытий. Но на долгие годы он изолировался от генерального направления физики, защищая то, что он назвал хаотической динамикой. Он уверен, что самое полезное предположение, которое мы можем сделать в отношении фундаментальных законов, это что они являются хаотическими. Все, о чем мы думаем как о внутренне правильном, вроде относительности и принципов квантовой механики, он рассматривает как второстепенные факты, которые появляются из фундаментальной теории, настолько лежащей за пределами наших представлений, что мы можем также считать, что ее законы хаотичны. Его моделями являются законы термодинамики, которые использовались как основанные на принципах, но сегодня понимаются как наиболее вероятный способ, которым будут вести себя большие количества атомов, находящихся в хаотическом движении. Это может и не быть верным, но Нильсен удивительно далеко продвинулся в своей анти-унификационной программе.

Имеется очень короткий список струнных теоретиков, которые делали постоянные вклады в науку на уровне тех, которые завещаны указанными джентльменами. Как же струнные теоретики – или, в этом же смысле, петлевые теоретики – отвечают на настойчивые предостережения этих достигших совершенства физиков, что, возможно, мы все сделали ошибочное предположение? Мы их игнорируем. Да, на самом деле, вылезая вон из кожи. По правде говоря, мы смеемся над ними за их спинами, а иногда чуть только они покинут помещение. Занятие физикой уровня Нобелевской премии – или даже выигрыш самой премии – очевидно, не защищает вас, когда вы подвергаете сомнению общепринятые предположения, такие как СТО и ОТО. Я был шокирован, когда Лафлин сказал мне, что на него давит его департамент и финансирующее агентство, чтобы он занимался нормальной наукой в области, в которой он работал, вместо того, чтобы тратить время на его новые идеи о пространстве, времени и гравитации. Если такой личности после всех ее свершений, включая Нобелевскую премию, нельзя доверить охотиться за своими глубочайшими идеями, что же тогда означает академическая свобода?

К счастью для физики, мы скоро узнаем, верна СТО или нет. Большинство моих друзей ожидает, что экспериментальные наблюдения проявят эти величайшие человеческие глупости. Я надеюсь, что борцы с предрассудками ошибаются и что СТО пройдет этот тест. Но я не могу избавиться от опасений, что, возможно, именно мы ошибаемся, а они правы.

Так много по вопросам к относительности. Что, если квантовая теория неверна? Это чувствительное, уязвимое место всего проекта квантовой гравитации. Если квантовая теория не верна, тогда попытки объединить ее с гравитацией будут гигантской тратой времени. Кто-нибудь думает, что это так?

Да, и один из них Герард т′Хоофт. В качестве аспиранта в Университете Утрехта, т′Хоофт доказал вместе с более старым соратником, что квантовые теории Янга-Миллса были последовательными, открытие, которое сделало возможной всю стандартную модель, и он вполне заслужил Нобелевскую премию за эти достижения. Это только одно из его многих фундаментальных открытий по поводу стандартной модели. Но в последнее десятилетие он стал одним из самых смелых мыслителей над фундаментальными проблемами. Его главная идея названа голографическим принципом. Как он его формулирует, не существует пространства. Все, что происходит в регионе, который мы используем для размышлений как пространство, может быть представлено как имеющее место на поверхности, окружающей данное пространство. Более того, описание мира, который существует на этой границе не является квантовой теорией, а является детерминистической теорией, которая, как он уверен, заменит квантовую.

Как раз перед тем, как т′Хоофт сформулировал свой принцип, сходная идея была предложена Луисом Кране в контексте фоново-независимых подходов к квантовой гравитации. Он предположил, что правильный способ применения квантовой теории ко вселенной – не пытаться вставить всю вселенную в одну квантовую систему. Это пытались сделать Стивен Хокинг, Джеймс Хэртл и другие, и столкнулись с тяжелыми проблемами. Кране вместо этого предположил, что квантовая механика не является статическим описанием системы, но записью информации, которую одна подсистема вселенной может иметь возле другой посредством их взаимодействия. Далее он предположил, что имеется квантово-механическое описание, связанное с каждым способом разделения вселенной на две части. Квантовые состояния живут не в одной части или в другой, а на границе между ними.[6]

Радикальное предположение Кране с тех пор выросло в класс подходов к квантовой теории, которые называются относительными квантовыми теориями, поскольку они основаны на идее, что квантовая механика является описанием взаимоотношений между подсистемами вселенной. Эта идея была развита Карло Ровелли, который показал, что она превосходно согласуется с тем, как мы обычно делаем квантовую теорию. В контексте квантовой гравитации это приводит к новому подходу к квантовой космологии, созданному Фотини Макропоулоу и ее сотрудниками. Маркопоулоу подчеркнула, что описание обмена информацией между различными подсистемами является тем же, что и описание причинной структуры, которая ограничивает, какие системы могут влиять друг на друга. Таким образом, она нашла, что вселенная может описываться как квантовый компьютер с динамически генерируемой логикой.[7] Идея, что вселенная является разновидностью квантового компьютера также продвигалась Сетом Ллойдом из Массачусетского технологического института, одного из мечтателей из области квантовых вычислений.[8] С двух сторон их соответствующих дисциплин Маркопоулоу и Ллойд возглавили движение, которое использует идеи теории квантовой информации для изменения концепции вселенной, приводя к пониманию того, как элементарные частицы могут возникать из квантового пространства-времени.

Идея Герарда т′Хоофта о мире, представленном на его границе, должна напомнить вам о предположении Малдасены. На самом деле идеи т′Хоофта отчасти вдохновили Хуана Малдасену, и некоторые думают, что голографический принцип окажется одним из базовых принципов теории струн. Одно это могло бы легко сделать его одним из лидеров сообщества теории струн, если бы он заинтересовался такой ролью. Но в 1980е т′Хоофт начал идти своим собственным путем. Он сделал это, когда он был в зените своей карьеры и в то время, когда никто не был сильнее технически. Однако в момент, когда он отклонился от генерального направления, он стал высмеиваться своими приятелями-физиками, занимающимися частицами. Он не казался озабоченным или даже обращающим на это внимание, но, я уверен, это уязвляло. Тем не менее, он почти во всем сомневался и изобретал свой собственный путь в фундаментальной физике. Его основная уверенность, развиваемая на протяжении десятилетий, заключается в том, что квантовая теория неверна.

Нет более искренней и чистой личности, чем т′Хоофт. Одна из вещей, за которую мы в области квантовой гравитации его любим, заключается в том, что он так часто там. Он приходит на многие наши встречи, и вы никогда не видите его в кулуарах, занимающегося политикой вместе с другими знаменитыми посетителями. Вместо этого он приходит на каждую секцию, а это нечто, что делают только молодые студенты. Он прибывает первым каждое утро, безупречно одетый в костюм-тройку (остальные из нас обычно в джинсах и футболках), садится в первый ряд и весь день слушает сообщения каждого отдельного студента и постдока. Он никогда не комментирует, может даже задремать на минуту или две, но уважение, которое он оказывает своим присутствием каждому из его коллег, производит глубокое впечатление. Когда его очередь выступать, он встает и скромно представляет свои идеи или результаты. Он знает, что он на одинокой дороге, и я не удивлюсь, если его это обижает. Как может личность отказаться от мантии лидерства, вполне заслуженной, только потому, что он не может найти смысла в квантовой механике? Представьте, что это говорит о характере некоторых.

Далее имеется Роджер Пенроуз. Проще говоря, нет никого, кто бы внес больший вклад в наше понимание и использование ОТО, за исключением самого Эйнштейна, чем Роджер Пенроуз. Он является одним из четырех или пяти самых талантливых и глубоко оригинальных мыслителей, с кем я встречался в любой области. Он делал великую математику и великую физику. Подобно т′Хоофту, много его трудов в последние двадцать лет мотивированы его уверенностью, что квантовая механика неверна. И, подобно т′Хоофту, он имеет взгляды на то, что ее должно заменить.

Пенроуз доказывал в течение лет, что включение гравитации в квантовую теорию делает эту теорию нелинейной. Это приводит к разрешению проблемы измерения, в которой квантово-гравитационные эффекты заставляют квантовое состояние коллапсировать динамически. Предложения Пенроуза хорошо описаны в его книгах, хотя они до сегодняшнего дня не реализованы в детальной теории. Тем не менее, он и другие смогли использовать их, чтобы делать предсказания для выполнимых экспериментов, некоторые из которых в настоящее время проводятся.