Физика невозможного - Мичио Каку

Теория струн зародилась в 1968 г., когда два молодых свежеиспеченных доктора — Габриель Венециано и Махико Судзуки — наткнулись на формулу, описывавшую вроде бы столкновения субатомных частиц. Вскоре обнаружилось, что эта чудесная формула может быть получена как описание столкновения колеблющихся струн. Но к 1974 г. работа над этой теорией практически замерла. Появившаяся на горизонте новая теория — квантовая хромодинамика, или теория кварков и сильного взаимодействия, — подобно колеснице Джаггернаута, давила своей мощью все остальные теории. Физики толпами бросали теорию струн ради работы над новой многообещающей теорией. Все финансирование, все рабочие места и признание доставались ученым, работавшим над кварковой моделью.

Я хорошо помню те темные годы. Над теорией струн продолжали работать только отъявленные упрямцы и авантюристы. А когда выяснилось, что струны, о которых идет речь, способны колебаться только в десятимерном пространстве, теория вообще стала объектом насмешек. Пионер теории струн Джон Шварц из Калифорнийского технологического иногда сталкивался в лифте с Ричардом Фейнманом. Фейнман, всегда любивший пошутить, частенько спрашивал: «Ну, Джон, сколько измерений в пространстве, где вы сегодня находитесь?» Мы даже шутили, что единственное место, где можно найти физика-теоретика — специалиста по теории струн, — это очередь на биржу труда.

(Нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн, основатель кварковой модели, однажды признался мне, что из жалости к теоретикам-струнникам организовал у себя в Калифорнийском технологическом институте «заповедник для вымирающего вида, специалистов по теории струн», чтобы люди вроде Джона не лишились работы.)

Говоря о том, что сегодня многие молодые физики стремятся работать над теорией струн, Стив Вайнберг написал: «Теория струн представляет собой на данный момент единственного претендента на роль окончательной теории, — так можно ли ожидать, что многие способнейшие молодые теоретики не захотят работать над ней?»

Действительно ли теорию струн невозможно проверить?

Одно из главных возражений против теории струн состоит в том, что ее невозможно проверить. Ее противники утверждают, что для реальной проверки этой теории потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику.

Но критики забывают о том, что очень многое в науке делается отнюдь не прямо; очень часто результат проще получить косвенным путем. Никто еще не побывал на Солнце, чтобы провести непосредственные измерения, но мы можем анализировать спектральные линии солнечного света и потому знаем, что Солнце состоит из водорода.

Или возьмем черные дыры. Теория черных дыр восходит к 1783 г., когда Джон Мичелл опубликовал статью в «Философских трудах Королевского общества». Он утверждал, что звезда может быть настолько массивной, что «весь излучаемый таким телом свет вынужден будет вернуться к нему под действием его собственной гравитации». В течение нескольких столетий теория темной звезды Мичелла влачила жалкое существование, поскольку проверить ее непосредственно было невозможно.

В 1939 г. Эйнштейн даже написал статью, в которой доказывалось, что подобная темная звезда не может сформироваться естественным путем. Главным аргументом было то, что темные звезды невозможно обнаружить по самой их природе — ведь они по определению невидимы. Но сегодня благодаря космическому телескопу имени Хаббла у нас есть великолепные доказательства существования черных дыр. В настоящее время мы убеждены, что в центрах галактик могут скрываться миллиарды черных дыр; в нашей собственной Галактике могут существовать десятки бродячих черных дыр. Но суть в том, что все данные о черных дырах получены косвенным путем; а именно мы получаем информацию о черной дыре путем изучения аккреционного диска, который вращается вокруг нее.

Более того, многие «непроверяемые» теории со временем становятся проверяемыми. На то, чтобы доказать существование атомов, предсказанных Демокритом, потребовалось две тысячи лет. Еще в XIX в. физика вроде Людвига Больцмана, верившего в атомную теорию, могли затравить насмерть, а сегодня у нас есть великолепные фотографии атомов. Великий скептик Паули ввел в 1930 г. понятие нейтрино — частицы настолько неуловимой, что она способна пролететь сквозь свинцовый шар размером с Солнечную систему и ни с чем при этом не провзаимодействовать. Паули сказал: «Я совершил страшный грех; я ввел частицу, которую невозможно пронаблюдать». Обнаружить нейтрино было «невозможно», поэтому в течение нескольких десятков лет необычная частица считалась чуть ли не фантастикой. А сегодня мы умеем создавать нейтринные пучки.

Уже запланировано несколько экспериментов, которые, как надеются физики, помогут косвенным образом проверить теорию струн.

• Большой адронный коллайдер, возможно, окажется достаточно мощным для получения суперчастиц, которые предсказаны теорией суперструн (как и другими теориями суперсимметрии) и представляют собой высшие моды колебаний.

• Как я уже упоминал, в 2015 г. в космос будет запущена LISA — космическая антенна с лазерным интерферометром. LISA и ее преемник, Наблюдатель Большого взрыва, окажутся, возможно, достаточно чувствительными для проверки нескольких теорий о том, что было до Большого взрыва, включая и различные версии теории струн.

• Множество лабораторий сейчас пытаются обнаружить, действует ли в миллиметровом масштабе знаменитый ньютоновский закон о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Отклонения от этого закона могут говорить о существовании высших измерений. (Если существует, к примеру, четвертое пространственное измерение, то сила притяжения должна уменьшаться пропорционально кубу, а не квадрату расстояния.) Последняя версия теории струн (М-теория) утверждает, что измерений на самом деле 11.

• Многие лаборатории пытаются обнаружить темное вещество, или скрытую массу, ведь Земля движется в космическом потоке темного вещества. Теория струн позволяет сформулировать конкретные проверяемые предсказания о физических свойствах темного вещества — ведь оно, вероятно, представляет собой высшие колебания струн (например, фотино).

• Есть надежда, что серия дополнительных экспериментов (к примеру, эксперименты по определению поляризации нейтрино, проводимые на Южном полюсе) позволит обнаруживать черные мини-дыры и другие странные объекты путем анализа аномалий космических лучей с энергиями, превосходящими, возможно, энергии частиц в Большом адронном коллайдере. Эксперименты с космическими лучами и с коллайдером откроют новые интересные горизонты, помимо Стандартной модели.

• Некоторые физики допускают, что сила Большого взрыва могла разогнать какую-нибудь крошечную суперструну до поистине космических масштабов. Физик Александр Виленкин из Университета Тафтса пишет: «Одна очень интересная возможность заключается в том, что суперструны... могут достигать астрономических масштабов... В этом случае мы могли бы пронаблюдать их в небе и таким образом напрямую проверить теорию суперструн». (Вероятность найти в космосе гигантскую реликтовую суперструну, сохранившуюся с момента Большого взрыва, очень мала.)

В 1980 г. Стивен Хокинг вновь разжег интерес к теории всего; он прочел.лекцию под названием «Близится ли конец теоретической физики?», в которой сказал: «Возможно, мы увидим полную теорию еще при жизни некоторых из присутствующих здесь». Он утверждал, что с 50-процентной вероятностью полная и окончательная теория будет найдена в течение ближайших 20 лет. Но когда наступил 2000 г., а консенсуса по поводу теории всего по-прежнему не было, Хокинг изменил свое мнение и перенес ту же вероятность в 50% на следующие 20 лет.

Затем в 2002 г. Хокинг еще раз передумал и заявил, что теорема Гёделя о неполноте, вполне возможно, указывает на принципиальную ошибку в его первоначальных рассуждениях. Он написал: «Некоторые люди будут очень разочарованы тем, что не существует окончательной теории, которую можно сформулировать в конечном числе пунктов. Я раньше тоже принадлежал к этому лагерю, но теперь изменил мнение... Теорема Гёделя гарантирует, что для математиков работа всегда останется. Я думаю, что М-теория сделает то же самое для физиков».

Его аргументы не новы: поскольку математика неполна, а языком физики является именно математика, в физике всегда будут существовать неподвластные нам истинные утверждения, а потому теории всего быть не может. Теорема о неполноте, убившая мечту греков о том, чтобы все истинные утверждения в математике были доказаны, сделает невозможным и создание теории всего.

Фримен Дайсон был более красноречив: «Гёдель доказал, что мир чистой математики неисчерпаем; никакое конечное число аксиом и логических правил не в состоянии охватить всю математику... Я надеюсь, что аналогичная ситуация существует и в мире физики. Если мой взгляд на будущее верен, то мир физики и астрономии тоже неисчерпаем; не важно, сколько пройдет времени, — мы всегда будем наблюдать новые явления и получать новую информацию; всегда будут появляться новые миры, которые можно исследовать, — постоянно расширяющиеся владения жизни, сознания и памяти».