Популярно о конечной математике и ее интересных применениях в квантовой теории - Феликс Лев

возникает следующая. Теория основана на локальных квантованных полях, которые перемножаются в одной точке. Как правило, физиков не волнует то, что, как отмечено, например, в книге Боголюбова с соавторами [6], Ψ(x) является обобщенной функцией, а, как известно из теории таких функций, их нельзя перемножать в одной точке. Но многие физики об этом даже не задумываются и перемножают, чтобы, как они думают, сохранить локальность, хотя, как отмечено выше, x не относится к какой-либо частице и поэтому не имеет физического смысла. В результате получаются плохо определенные выражения, аномалии и расходимости с которыми борются. То есть, сами создали проблемы и теперь с ними борются.

Можно сказать, что идеальная наука не должна исходить из такой математики. Но здесь возникает убийственный аргумент: с такой математикой теоретический результат для магнитных моментов электрона и мюона согласуется с экспериментом с точностью 8 знаков, Лэмбовский сдвиг – с точностью 5 знаков и т.д. Ни в какой области науки такого согласия теории и эксперимента нет.

Эти результаты были получены в квантовой электродинамике (которую в физической литературе называют QED – quantum electrodynamics) в конце 40х годов, и те, кто ее сделали (Feynman, Schwinger, Tomonaga, Bethe, Karplus, Klein, Kroll, Sommerfield и др.) производят впечатление даже не людей, а сверхчеловеков. Но все же, хотя история не знает сослагательного наклонения, позволю себе задать крамольный вопрос: то, что эти потрясающие результаты были получены оказалось хорошо для науки или нет? Во-первых, эти результаты сразу убедили многих, что строгая математика ни к чему, а главное – чтобы хорошо описывался эксперимент. Во-вторых, многие решили, что теперь вся релятивистская квантовая теория может быть сделана по аналогии с QED. Однако, несмотря на потрясающее согласие с экспериментом, эти результаты вряд ли можно считать фундаментальными. Они получены, исходя из того, что постоянная тонкой структуры α мала (она примерно равна 1/137). Поэтому можно применять теорию возмущений по α. Результат для аномальных моментов электрона и мюона получается при учете поправок вплоть до α3 включительно. Но в теориях, где константа взаимодействия большая, надо или работать без теории возмущений или вычислять весь ряд теории возмущений, что нереалистично (и к тому же непонятно, сходится ряд или нет).

После такого триумфа физики пытались рассмотреть другие теории по аналогии. В предыдущем параграфе я отметил проблемы с классическим и квантовым полем Ψ(x), с интерпретацией аргумента этой функции, с уравнением Дирака и т.д. К концу 60х годов возникло мнение, что надо что-то менять. Weiskopf написал, что квантовая теория поля должна быть похоронена со всеми почестями. В 1968 г. вышел 4й том Курса Теоретической Физики, который написали Берестецкий, Лифшиц и Питаевский. В вводной главе они объяснили, что, если объединить квантовую теорию с релятивизмом, то даже координата сама по себе не может быть точно измерена, а в главе II написали: "Следует подчеркнуть вспомогательный характер понятия поля свободных частиц".

Но, несмотря на эти проблемы, QFT восстала из пепла: в 70х годах создали квантовую хромодинамику, в 1981м нашли W и Z бозоны и, наконец, создали Стандартную Модель. В ней, исходя из 20 параметров, описывают многие экспериментальные данные из физики частиц. Модель не решила ни одной принципиальной проблемы QFT. Она по-прежнему исходит из лагранжиана, в котором поля перемножаются в одной точке. Еще когда я учился в ИТЭФе, все знали крылатую фразу К. А. Тер-Мартиросяна, что если теория содержит 25 свободных параметров и описывает 1000 экспериментальных данных, то это хорошая теория. Так что в такой философии Стандартная Модель – большое достижение.

Теперь на дворе 2023й год и можно ли сказать, что есть какой-то прогресс в создании единой теории? Мне кажется, что, опять настал такой период когда, по аналогии с концом 60х, стало ясно, что единая теория не может быть построена на идеях QFT. Была большая шумиха, что теория струн станет TOE. Выше я приводил аргументы, что это очень сомнительно. В духе приведенной выше фразы Бора можно сказать, что теория струн не является достаточно сумасшедшим обобщением QFT. Одна из ее идей такая, что т. к. струнные поля перемножаются не в точке (нульмерный объект), а на струне (одномерный объект), то есть надежда, что сингулярности «размажутся» и с ними можно будет работать. Однако, с точки зрения математики, перемножение на струне тоже не является корректной операцией и в теории струн проблема бесконечностей тоже не решена.

В связи с теорией струн вспоминается известная фраза, что можно обманывать много людей в течение короткого времени или мало людей в течение длительного времени, но нельзя обманывать много людей в течение длительного времени. Мне кажется, что теория струн опровергла это утверждение т.к. ей удалось обманывать много людей в течении длительного времени. Во многие кафедрах физики стало невозможно получить работу, если не занимаешься струнами. Как сказал Dyson, если раньше, чтобы показать, что кафедра занимается фундаментальными проблемами, надо было делать дорогостоящие эксперименты, то теперь вместо этого достаточно взять одного-двух струнщиков.

Мой опыт подтверждает эту точку зрения. В 2004 г. один из профессоров в университете Berkeley организовал мой семинар. После семинара я спросил его мнение, есть ли у меня шансы найти работу в университете, и он сказал, что нет, потому что я не в теории струн. Я сказал, что не имею в виду престижные университеты типа Berkeley и др., а буду рад получить работу даже в захудалом университете. Он ответил, что захудалый университет тем более не может позволить себе роскошь потратить ставку на того кто не в теории струн.

Сторонники теории струн могут сказать, что она уже показала свою важность т. к. в ней уже получено много сильных математических результатов. Может быть это так, не могу судить. В эту теорию пошло много математиков по топологии, гладким многообразиям и т. д. Если математики нашли для себя много интересных задач в этом, то, как говорится, на здоровье. Математикам незачем думать над тем, имеют ли гладкие многообразия на планковских длинах какой-то физический смысл. Но тогда это только математика и незачем провозглашать, что это будет TOE.

Кроме теории струн, были и другие попытки обобщить стандартную QFT, например в подходе noncommutative geometry и в loop quantum gravity (LQG). Во всех этих попытках, background space – обязательный атрибут. Как я уже отмечал, это чисто классическое понятие. История квантовой теории говорит, что сюда не надо тащить понятия из классической теории. Например, даже в нерелятивистской теории нельзя измерить импульс и координату независимо, а в релятивистской нельзя измерить точно координату даже саму по себе.

Многие физики, которые