Краткая теория времени - Карло Ровелли

находит явно меньше сторонников сейчас, чем двадцать лет назад, из-за отсутствия значимого прогресса за этот период.

Эта теория нуждается в таких условиях, как пространство с десятью измерениями и суперсимметричные частицы – сразу столько смелых гипотез без малейших признаков экспериментального подтверждения на сегодняшний день. Не очень понятно, как теория с десятью измерениями и неизвестными суперсимметричными частицами могла бы конкретно быть применена для того, чтобы дать однозначные вразумительные предсказания, приложимые к миру, в котором мы живем, всего с тремя пространственными измерениями и без суперсимметрии. На протяжении многих лет приверженцы теории струн были убеждены, что суперсимметричные частицы вот-вот будут обнаружены. Когда Большой адронный коллайдер, ускоритель частиц в Женеве, начал работать, многие из приверженцев этой теории верили, что первым делом обнаружатся суперсимметричные частицы. Но те так и не пришли на свидание. Огромная шумиха в СМИ вокруг обнаружения бозона Хиггса[19] позволила скрыть горькое разочарование из-за того, что суперсимметрия так и не была найдена.

Члены второго сообщества, сторонники петлевой теории квантовой гравитации, следуют прежде всего за специалистами по общей теории относительности, релятивистами. Для такого специалиста мысль о фундаментальном описании гравитации в терминах физических возбуждений в пространственных координатах звучит фальшиво. Первое, чему учит теория относительности, – это то, что нет никакого пространства, в котором могли бы развертываться физические явления, – кроме как, понятно, пространства при приблизительном, макроскопическом подходе к нему. Для релятивиста общая относительность намного шире теории поля, в котором действует одна особая сила – притяжение. Общая теория относительности подразумевает, что некоторые представления классической физики, касающиеся времени и пространства, совершенно неуместны на фундаментальном уровне и нуждаются в столь же глубоких изменениях, сколь и введенные квантовой механикой. Одно из таких устаревших представлений – это именно мысль о координатном пространстве, в котором совершаются физические процессы. От него нужно было отказаться, чтобы изучить относительность притяжения, открыть черные дыры, создать современные космологию и астрофизику, основанные на принципе относительности.

Поэтому для релятивиста проблема квантовой гравитации требует, чтобы широкомасштабная концептуальная революция, начатая с квантовой механики и общей теории относительности, увенчалась новым синтезом. В таком синтезе понятия о пространстве и времени должны полностью измениться с учетом того, что мы знаем из двух современных основополагающих теорий.

В противоположность теории струн, петлевая теория с самого начала формулируется без пространства координат. Она пытается уловить достоверным образом природу квантового пространства-времени на фундаментальном уровне. И в итоге возникающее представление о пространстве-времени радикально отличается от того, на котором основаны общепризнанная квантовая механика или теория струн. В уравнениях петлевой квантовой гравитации нигде нет ни переменной t (время), ни переменной х (расположение). И тем не менее эти уравнения вполне способны предсказать эволюцию системы. Кроме того, они не предполагают ни дополнительных измерений, ни необычайных частиц. Если теория струн все еще шире изучается и лучше известна, чем петлевая теория, то это следствие исключительно исторических причин. Такая ситуация отображает маргинальное положение общей теории относительности в физике XX века. Поскольку теория относительности была слишком сложной и в ту эпоху на практике ничему не служила, она оставалась в границах узкого сообщества физиков, которые пользовались авторитетом, но чьи труды не имели резонанса за пределами этого сообщества. Зато квантовая механика получила самое широкое развитие по причине множества практических применений (лазеры, вещества в конденсированном состоянии, частицы, ядерная физика, атомная бомба…). Когда понадобилось решить проблему квантовой гравитации, налицо были две точки зрения на одну проблему: точка зрения маленького сообщества, занятого общей относительностью, и точка зрения большого круга физиков, разрабатывающих квантовую теорию полей. Этот культурный раскол все еще не преодолен. В ходе дискуссий всегда слышишь голос сторонников теории струн, говорящих: «Вы не понимаете квантовую теорию поля», и сторонников петлевой теории, которые отвечают: «А вы ничего не понимаете в общей относительности!» Может быть, доля истины есть в обоих обвинениях…

Помимо петель и струн, сейчас существуют и другие идеи и разработки. Ален Кон, что особенно интересно, создал иное потенциальное математическое описание физического пространства, «некоммутативную геометрию». Она сильно зависит от структуры сил, действующих на элементарные частицы (стандартной модели). Кон отчасти пошел по пути Эйнштейна, когда тот открыл специальную относительность, вдохновляясь теорией электромагнитной силы у Максвелла. Я изучал идеи Алена, даже опубликовал на этот счет несколько незначительных статей и не буду удивлен, если некоммутативная геометрия станет тем или иным образом частью того синтеза, который мы ищем.

Другой чрезвычайно интересный взгляд на квантовую гравитацию был предложен Роджером Пенроузом, изобретателем сетей спина. В 2007 году на французском языке вышла научно-популярная книга Пенроуза «К открытию законов Вселенной». Немного тяжеловесная, она рисует огромную и волнующую картину всего того, что мы знаем о мире.

Отношения между научным миром струн и научным миром петель были иногда весьма бурными, и нередко слышались преувеличенные обвинения («Они ничего не понимают!», «Их расчеты просто неверные!», «В их работах полно ошибок!»). Все это происходило в том числе (или прежде всего) в комитетах ученых, где занимаются распределением финансирования и должностей среди молодых исследователей. Но такая сумятица неизбежна в области, находящейся в авангарде всех исследований, и случается так, что острые споры разворачиваются, иногда доходя до абсурда, между людьми, которые посвятили годы своей научной страсти, следуя предопределенным путем. Полемика необходима для плодотворности познания и его продвижения вперед.

Теории устоявшиеся и теории гипотетические

Впрочем, важно помнить, что все эти теории остаются умозрительными и могут оказаться совершенно неверными. Я имею в виду не только то, что они могут быть заменены в будущем более продуктивной теорией, как случалось в прошлом, но и то, что все изначальные предсказания могут оказаться опровергнутыми экспериментально. Все дело в разнице между приблизительным результатом и ошибкой – и мы пока не знаем, что собой представляют наши теории. Природа не имеет отношения к нашим эстетическим суждениям. История теоретической физики знает много вспышек энтузиазма по поводу «очень красивых» теорий, которые обернулись провалом. Единственный судья здесь – опыт, и на данный момент еще нет экспериментальных данных, которые хотя бы косвенно говорили в пользу той или иной из конкурирующих теорий, стремящихся занять место стандартной модели физики частиц и общей теории относительности. И наоборот, все предсказания, выдвинутые этими конкурирующими теориями (такие как распад протона, наличие суперсимметричных и других причудливых частиц, поправки в силу тяготения на короткой дистанции…) были опровергнуты опытом. Если сравнить их поражения с огромным экспериментальным успехом квантовой механики, стандартной модели частиц и общей теории относительности, есть причина быть благоразумнее.

Это одна из наибольших сложностей в работе исследователя: он колеблется между желанием сформулировать