Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Первая из трех работ описывала так называемый канонический подход. Именно его ранее предлагали другие физики, в том числе Питер Бергман, Поль Дирак, Чарльз Мизнер и Джон Уиллер. Как и в общей теории относительности, центральную роль играла геометрия. Пространство-время делилось на две отдельные части: пространство и время. Общая теория относительности из теории пространства-времени как целого превращалась теорию развития пространства во времени. Затем Девитт вывел уравнение, позволяющее вычислять вероятности данной геометрии пространства в определенный момент времени, показав таким образом, что в картину можно добавить квантовую физику. Подобно Шрёдингеру, который ввел квантовую физику для обычных систем, Девитт нашел волновую функцию для геометрии пространства.

От канонического подхода Девитт вскоре отказался, но его быстро принял Джон Уиллер. Девитт показал ему свое уравнение, когда они встретились в аэропорту Роли-Дерхем. Как вспоминает Девитт: «Уиллер пришел от него в чрезвычайный восторг и принялся при каждом удобном случае вставлять его в свои лекции». В течение многих лет Девитт будет называть эту формулу уравнением Уиллера, а Уиллер — уравнением Девитта. Все остальные называли ее уравнением Уиллера-Девитта.

Основные же идеи содержались во второй и третьей работах трилогии Девитта. В них намечался альтернативный путь, ковариантный подход. Геометрия при этом полностью исключалась из рассмотрения, а гравитация превращалась в еще одно взаимодействие, передаваемое через частицу-переносчик — гравитон. Именно этот подход, пытающийся повторить успех квантовой электродинамики и стандартной модели, привел к появлению неприятных бесконечностей, после Оксфордского симпозиума по квантовой гравитации в 1974 году резко затормозивших прогресс в данной области.

Канонический и ковариантный подходы воплотили две разные философии и с разных сторон подошли к задаче квантования гравитации. Канонический подход в первую очередь рассматривал геометрию, в то время как в ковариантном подходе во главу угла ставились частицы, поля и унификация. Разница подходов стала причиной серьезных разногласий в физическом сообществе.

Знамя ковариантного подхода в конечном счете было подхвачено радикально новым направлением, получившим название теории струн. Изначально теория струн появилась в конце 1960-х как попытка энтузиастов объяснить поведение целого зоопарка экзотических частиц, обнаруженного во время экспериментов с ускорителем. Основная идея состояла в том, что эти частицы — крошечные точечные объекты — лучше всего описываются в терминах микроскопических вибрирующих фрагментов струн. Частицы разной массы представляют собой не что иное, как вибрации плавающих в пространстве маленьких струн. Хитрость состояла в том, что одна такая струна была в состоянии описать все частицы. Чем больше колебания струны, тем выше ее энергия и тем более тяжелую частицу она описывает. Это тоже было объединение, просто его способ кардинально отличался от всего, что предлагалось раньше.

Идея фундаментальных струн была захватывающей, но несовершенной. Попытки получить с ее помощью любые предсказания приводили к появлению бесконечных значений, которые не допускали перенормирования, выполняемого как в квантовой электродинамике, так и в стандартной модели. Кроме того, новая теория предсказывала существование частицы, которая вела себя в точности как гравитон — его считали ответственным за гравитационные взаимодействия. Гравитон требовался в квантовой теории гравитации, но был совершенно не нужен в задаче, решить которую была призвана теория струн: найти объяснение экзотическим новым частицам, обнаруженным в ускорителях.

Пережив первоначальный всплеск интереса, к середине 1970-х теория струн была предана забвению, будучи отвергнутой большинством ведущих физиков. Один из ее немногочисленных сторонников, лауреат Нобелевской премии Мари Гелл-Ман называл себя «своего рода покровителем теории струн» и «борцом за ее сохранение». Он вспоминает: «В Калехе я создал заповедник для находящихся под угрозой исчезновения теоретиков суперструн, и с 1972-го по 1984 год большая часть работ по теории струн выполнялась именно здесь».

В 1984 году теоретик из заповедника Мари Гелл-Мана Джон Шварц объединился с молодым физиком из Лондона Майклом Грином. Совместно они предположили, что теория струн может оказаться полезной при построении теории квантовой гравитации. Они показали, как в десятимерной вселенной теория струн, удовлетворяющая определенным ограничениям и подчиняющаяся определенной симметрии, может быть связана с квантовой гравитацией. На следующий год группа специалистов по физике частиц и релятивистов, в которую вошли Эдвард Виттен из Принстона, Филипп Канделас из Остина, штат Техас, а также Эндрю Строминжер и Гари Горовиц из Санта-Барбары, пошла еще дальше. Они показали, что если эти шесть дополнительных измерений являются пространством Калаби-Яу, решение уравнений теории струн будет выглядеть в точности как суперсимметричная версия стандартной модели. Отсюда до стандартной модели оставался всего один небольшой шаг.

К концу 1980-х теория струн набрала огромную силу. Казалось, она может принести пользу всем. Математика выглядела новой и увлекательной, почти как неевклидова геометрия для Эйнштейна, когда он с ее помощью пытался понять общую теорию относительности. Математики применяли новейшие инструменты — не только геометрию, но также теорию чисел и топологию, — пытаясь понять, что может дать теория струн.

К концу XX века теория струн набрала обороты, став более увлекательной и последовательной и вместе с тем более сложной и непонятной. В 1995 году на ежегодной конференции по теории струн в Калифорнии Эдвард Виттен объявил, что все возникшие за предыдущее десятилетие модели теории струн на самом деле связаны друг с другом и, по сути, являются различными аспектами единой, более богатой М-теории. Как он выразился: «Буква М может означать Магическая, Мистическая или Мембранная — в зависимости от ваших предпочтений». Эта теория охватывала собой не только струны, но и населяющие многомерную Вселенную многомерные объекты, называемые мембранами, или, коротко, бранами.

Несмотря на эйфорию и гордость, которую теория струн вызывала у своих создателей, она не смогла обойти почти экзистенциальную проблему. Версии теории струн были слишком многочисленными. И даже выбор какой-то одной версии не избавлял от набора вероятных решений, имеющих соответствие в реальном мире. По грубым прикидкам, для каждой версии теории струн может существовать 10 500 решений — не слишком красивая панорама вероятных вселенных, которую стали называть ландшафтом. Однозначные предсказания теория струн делать не умела.

По словам некоторых известных скептиков, теория струн обещала слишком много, а дала слишком мало. «Я считаю всю эту тему с суперструнами полным сумасшествием и движением в неверном направлении, — сказал в интервью незадолго до своей смерти в 1987 году Ричард Фейнман. — Мне не нравится отсутствие каких бы то ни было расчетов. Мне не нравится, что идеи не проверяются. Мне не нравится, что для любых расхождений с экспериментальными данными придумывается какое-то объяснение. Все это выглядит неправильно».

Взглядам Фейнмана вторил Шелдон Глэшоу, вместе со Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом создавший в высшей мере успешную стандартную модель. Он писал, что «физика суперструн пока еще не доказала работоспособности своих теорий. Занимающиеся ею ученые не могут показать, что стандартная теория логически вытекает из теории струн. Они даже не могут быть уверены в том, что в их формализм входит описание таких вещей, как протоны и электроны».

Дэниел Фридан, видный участник первой революции в области теории струн, происходившей в 1980-е, недостатки теории признает. По его словам: «Многолетний кризис теории струн состоит в ее полной неспособности объяснить или предсказать физику любого удаленного процесса. Теория струн не дает конкретных объяснений существующим сведениям о реальном мире и не делает никаких определенных прогнозов. Невозможно оценить, а тем более установить ее надежность. В качестве претендента на физическую теорию теория струн не заслуживает доверия». Однако подобные скептики были в меньшинстве, их голос легко заглушался. Впрочем, физиков 1980-х и 1990-х, стоящих перед необходимостью овладеть квантовой гравитацией, можно простить за мысли о приоритете ковариантного подхода и преимуществах теории струн.

В теории струн была одна вещь, раздражавшая многих релятивистов: в ней, как в любом ковариантном подходе к квантовой гравитации, казалось, исчезала главная и основополагающая вещь — геометрия пространства-времени. Все сводилось к описанию взаимодействия, примерно как в объединившей в себе три вида взаимодействий стандартной модели, а также к способу его квантования. Небольшая группа релятивистов предпочитала двигаться вперед другой дорогой — через принятый Уиллером и отвергнутый Девиттом канонический подход. Он допускал разработку квантовой теории самой геометрии. В середине 1980-х перспективное решение было найдено индийским релятивистом Абэем Аштекаром. Это был преданный своему делу ученый из Сиракьюзского университета. Он нашел гениальный способ переписать уравнения Эйнштейна таким образом, чтобы оттуда исчезла ужасная нелинейность, в результате общая теория относительности приобрела намного более простой вид. Хитрость Аштекара неожиданным образом разблокировала уравнения Эйнштейна и позволила трем молодым релятивистам «поиграть» с их квантовой природой.