7. Виден ли конец теоретической физике?12

7. Виден ли конец теоретической физике?12

На этих страницах я хочу обсудить вопрос, может ли конечная цель теоретической физики быть достигнута в не столь отдаленном будущем – скажем, к концу XX столетия. Под этим я понимаю возможность построить полную, гармоничную и всеобщую теорию физических взаимодействий, которая описала бы все доступные нам наблюдения. Конечно, в таких предположениях нужно быть очень осторожным. Мы уже по крайней мере дважды думали, что находимся на грани окончательного построения. В начале века верилось, что все можно понять в терминах непрерывной механики, нужно только измерить некоторые коэффициенты: упругость, вязкость, проводимость и т. п. Эти надежды были разбиты открытием квантовой механики и строения атома. В двадцатых годах Макс Борн сказал группе ученых, приехавших в Гёттинген: «Физика, как мы теперь понимаем, через полгода будет исчерпана». Это произошло вскоре после открытия Полем Дираком, предыдущим главой люкасовской кафедры, уравнения, описывающего поведение электрона. Предполагали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона – второй из двух известных тогда частиц. Однако открытие нейтрона и ядерных сил развеяло эти надежды. Теперь мы знаем, что ни протон, ни нейтрон не являются элементарными, а состоят из еще меньших частиц. Тем не менее за последние годы мы достигли большого npoгpecca, и, как я покажу дальше, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: мы можем создать полную теорию еще при жизни тех, кто сейчас читает эти страницы.

Но даже если мы и достигнем полной теории, мы не сможем детально предсказать ничего, кроме простейших ситуаций. Например, нам уже известно, как физические законы управляют тем, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Как определил сам Дирак, его уравнение стало основой «для большей части физики и для всей химии». Однако мы можем решить это уравнение только для очень простой системы – атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с большим числом электронов, не говоря уж о молекулах из нескольких ядер, нам остается прибегать к аппроксимациям и интуитивным догадкам сомнительной надежности. Для макроскопических систем, состоящих, например, из 1023 частиц, нам приходится прибегать к статистическим методам, и мы вынуждены расстаться со своими притязаниями на точное решение уравнения. Хотя в принципе нам известны уравнения, управляющие всеми биологическими процессами, мы не можем свести исследование человеческого поведения к отрасли прикладной математики.

Что же мы назвали бы всеобщей физической теорией? Наши попытки смоделировать физическую реальность, как правило, состоят из двух частей. Это а) множество частных законов, которым подчиняются различные физические величины, и б) множество граничных условий, которые сообщают нам о состоянии некоторых областей Вселенной в определенное время и о тех эффектах, которые распространяются затем в нее из этих областей.

Многие заявили бы, что роль науки ограничивается первой частью, и когда мы получим полный набор частных физических законов, теоретическая физика достигнет своей цели. Вопрос о начальных условиях для Вселенной они отнесли бы к области метафизики или религии. Некоторым образом это похоже на то, как в прежние века препятствовали научным изысканиям, говоря, что все природные явления – деяния Бога и не следует выяснять их причины. Думаю, что начальные условия Вселенной – такой же подходящий предмет для научных исследований и теорий, как и частные физические законы. Мы не получим завершенной теории, пока не сможем чего-то большего, чем просто сказать: «Вещи таковы, каковы они есть, потому что они были такими, какими были».

Вопрос об уникальности начальных условий тесно связан с вопросом о произвольности частных физических законов: нельзя считать теорию завершенной, если она содержит ряд регулируемых параметров и позволяет подгонять константы, которым можно задавать произвольные значения. В действительности, похоже, ни начальные условия, ни значения параметров в теории не являются произвольными, а каким-то образом очень тщательно выбираются или устанавливаются. Например, если разница масс протона и нейтрона не была бы примерно вдвое больше массы электрона, не получилось бы около двух сотен стабильных нуклидов, что уравновешивает элементы и является основой химии и биологии. Аналогично, если бы гравитационная масса протона значительно отличалась от действительной, не получилось бы звезд, в которых эти нуклиды могли бы строиться, а если бы начальное расширение Вселенной было чуть меньше или чуть больше, она бы захлопнулась до того, как эти звезды смогли развиться, или разлетелась бы так быстро, что звезды никогда бы не сформировались за счет гравитационной конденсации.

В самом деле, некоторые люди дошли до того, чтобы возвести эти ограничения на начальные условия и параметры в принцип, в «человеческий» принцип, который можно изложить так: «Вещи таковы, каковы они есть, потому что мы существуем». Согласно одной версии этого принципа, существует множество других, отдельных вселенных с другими значениями физических параметров и другими начальными условиями. Большинство этих вселенных не обеспечивают условий для развития сложных структур, нужных для возникновения разумной жизни. Только в некоторых из них, там, где условия и параметры схожи с нашей Вселенной, возможно возникновение разумной жизни, которая может задать вопрос: «Почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем?» Ответ, конечно же, состоит в том, что если бы она была иной, то некому было бы и задать вопрос.

Этот «человеческий» принцип дает некоторое объяснение многих замечательных числовых соотношений, которые наблюдаются между значениями различных физических параметров. Однако остается некоторая неудовлетворенность – нельзя избавиться от чувства, что есть более глубокое объяснение. Он также не учитывает все области Вселенной. Например, наша Солнечная система несомненно является необходимым условием нашего существования, так же как и ранние поколения ближайших звезд, в которых путем ядерного синтеза смогли сформироваться тяжелые элементы. Даже возможно, что потребовалась вся наша Галактика. Но не видно никакой необходимости в существовании каких-либо других галактик, не говоря уж о тех миллионах миллионов, что мы видим более-менее равномерно разбросанными по всей доступной наблюдению Вселенной. Эта макроскопическая однородность Вселенной очень мешает поверить, что строение Вселенной определяется чем-то таким периферийным, как сложные молекулярные структуры на одной из малых планет, вращающихся вокруг самой обычной звезды на окраинах довольно заурядной спиральной галактики.

Если мы не собираемся обратиться к «человеческому» принципу, нам нужно как-то обобщить теорию, чтобы учесть начальные условия Вселенной и значения различных физических параметров. Однако слишком трудно придумать завершенную теорию всего сразу (впрочем, похоже, некоторых это не останавливает – я получаю по почте две-три всеобщие теории в неделю). Вместо этого мы ищем частные теории, которые опишут ситуации, где некоторые взаимодействия можно оставить без внимания или каким-то простым способом аппроксимировать. Сначала мы делим материальное содержимое Вселенной на две части: вещественные частицы, такие как кварки, электроны, мюоны и т. п., и взаимодействия, такие как гравитация, электромагнетизм и прочее. Вещественные частицы описываются полями с полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, который не допускает, чтобы хотя бы две такие тождественные частицы были в одном состоянии. Вот почему твердые тела не сжимаются в точку и не испускают лучи в бесконечность. Вещественные частицы делятся на две группы: адроны, состоящие из кварков, и лептоны, включающие в себя все остальное.

Взаимодействия феноменологически делятся на четыре категории. В порядке убывания силы они таковы: сильные ядерные взаимодействия, относящиеся только к адронам; электромагнетизм, взаимодействующий с заряженными адронами и лептонами; слабые ядерные силы, взаимодействующие со всеми адронами и лептонами; и, наконец, гравитация – самая слабая, взаимодействующая со всем. Взаимодействия представляются полями с целочисленным спином, не подчиняющимися принципу Паули. Это означает, что они могут иметь много частиц в одном и том же состоянии. В случае электромагнетизма и гравитации взаимодействия, кроме всего прочего, являются дальнодействующими, то есть поля, произведенные большим числом материальных частиц, складываются все вместе и образуют поле, которое можно выявить на макроскопическом уровне. По этой причине они оказались первыми, для которых были разработаны теории: Ньютоном в XVII веке – закон всемирного тяготения – и Максвеллом в XIX веке – теория электромагнетизма. Однако эти теории в основном не совмещались, потому что ньютоновская теория была инвариантна, если всей системе придавалась любая постоянная скорость, в то время как теория Максвелла определяла особую скорость – скорость света. Под конец оказалось, что Ньютонову теорию гравитации нужно изменить, чтобы состыковать ее с инвариантными свойствами теории Максвелла. Это сделала общая теория относительности Эйнштейна, сформулированная в 1915 году.

Общая теория относительности, описывающая гравитацию, и Максвеллова теория электромагнетизма были так называемыми классическими теориями, то есть имели дело с величинами, которые могли непрерывно изменяться и, по крайней мере в принципе, могли измеряться с произвольной точностью. Однако когда попытались применить такие теории для построения модели атома, возникла проблема. Обнаружилось, что атом состоит из маленького положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Естественно было допустить, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, как Земля вокруг Солнца. Но классическая теория утверждала, что электроны должны излучать электромагнитные волны. Эти волны забирали бы энергию, отчего электроны должны были по спирали приближаться к ядру, приводя к сжатию атома.

Эта проблема была решена благодаря несомненно величайшему достижению теоретической физики XX века: базовым постулатом явился принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что две величины, такие как положение и импульс частицы, нельзя измерить одновременно с произвольной точностью. Относительно атома это означало, что в своем низшем энергетическом состоянии электрон не может лежать на ядре, потому что в этом случае были бы точно определены его положение (на ядре) и скорость (нулевая). Вместо этого и положение, и скорость должны были быть размазаны вокруг ядра с каким-то вероятностным распределением. В этом состоянии электрон не может излучать энергию в виде электромагнитных волн, потому что не было бы более низкого энергетического уровня, на который он мог бы перейти.

В двадцатых и тридцатых годах квантовую механику с огромным успехом применяли к таким системам, как атомы и молекулы, имевшим ограниченное число степеней свободы. Однако возникла трудность, когда попытались применить ее к электромагнитному нолю, имевшему неограниченное число степеней свободы – грубо говоря, по две для каждой точки пространства-времени. Эти степени свободы можно рассматривать как осцилляторы, каждый со своим положением и импульсом. Осцилляторы не могут быть в покое, потому что тогда они имели бы точно определенное положение и импульс. Вместо этого каждый осциллятор должен иметь конечные по амплитуде, так называемые нулевые флюктуации и ненулевую энергию. Энергия всего бесконечного числа степеней свободы привела бы к тому, что масса и заряд электрона стали бы бесконечными.

Для преодоления этой трудности в 1940 году была разработана процедура, названная ренормалнзацией. Она состояла из довольно-таки произвольного вычитания одних бесконечных величин из других с целью получить конечный остаток. В случае с электродинамикой было необходимо сделать два таких бесконечных вычитания – одно для массы, а другое – для заряда электрона. Под эту процедуру ренормализации не было подведено прочного концептуального или математического фундамента, но на практике она работала очень неплохо. Ее успех предсказал одно небольшое смещение – смещение Ламба – на несколько линий в спектре атомного водорода. Однако с учетом попыток построить завершенную теорию это было не очень удовлетворительно, потому что ренормализация не предсказывала значений конечного остатка после бесконечных вычитаний. Таким образом, чтобы объяснить, почему электрон имеет такие массу и заряд, какие он имеет, нам пришлось бы вернуться к человеческому принципу.

В течение пятидесятых и шестидесятых годов считалось, что слабые и сильные ядерные силы не подвержены ренормализации, то есть чтобы стать конечными, они потребовали бы бесконечного числа бесконечных вычитаний. Получилось бы бесконечное число остатков, не определенных в теории. Такая теория не имела бы силы предсказывать что-либо, потому что неограниченное число параметров измерить нельзя. Однако в 1971 году Герард Хофт показал, что единую модель электромагнитных и слабых взаимодействий, предложенную ранее Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом, действительно можно ренормализировать конечным числом вычитаний. В протонной теории Салама – Вайнберга к частице со спином 1, несущей электромагнитное взаимодействие, присоединялись три других партнера со спином 1, названные W+, W– и Z0.Предполагалось, что при очень больших энергиях все эти четыре частицы будут вести себя одинаково. Однако при малых энергиях теория замечательно сочеталась с наблюдениями, и это побудило Шведскую Академию присудить Нобелевскую премию Саламу, Вайнбергу и Шелдону Глэшоу, который построил схожую единую теорию. Однако сам Глэшоу заметил, что Нобелевский комитет рисковал, так как у нас до сих пор нет достаточно мощных ускорителей, чтобы разогнать частицы и проверить эту теорию в режиме, когда единство между электромагнитными силами, заключенными в фотоне, и слабыми силами, заключенными в W+, W– и Z0, действительно имеет место. Такой мощный ускоритель будет готов через несколько лет, и многие физики верят, что он подтвердит теорию Салама – Вайнберга13.

Успех теории Салама – Вайнберга привел к поиску схожей ренормализационной теории сильных взаимодействий. Довольно скоро стало ясно, что протоны и другие адроны, такие как пи-мезон, не могут быть поистине элементарными частицами, а должны быть связанными состояниями других частиц, называемых кварками. Последние, похоже, обладали любопытным свойством: хотя они довольно свободно двигались внутри адрона, оказалось невозможным получить собственно один кварк, – они всегда выходили либо группами по три (как протон или нейтрон), либо парами, состоящими из кварка и антикварка (подобно пи-мезону). Чтобы объяснить это, кварк наделили свойством, названным цветом. Следует подчеркнуть, что это свойство не имеет ничего общего с обычным пониманием цвета, – кварки слишком малы, чтобы увидеть их в видимом свете, это просто условный термин. Идея заключается в том, что кварки бывают трех цветов – красного, зеленого и голубого, но любое изолированное связанное состояние, такое как адрон, должно быть бесцветным или являть собой комбинацию красного, зеленого и голубого, как протон, или смесь красного и антикрасного, зеленого и антизеленого, голубого и антиголубого, как пи-мезон.

Предполагалось, что сильные взаимодействия между кварками осуществляются частицами со спином 1, так называемыми глюонами, довольно похожими на частицы, несущие слабые взаимодействия. Глюоны также имеют цвет и вместе с кварками подчиняются ренормализационной теории, называемой квантовой хромодинамикой, или, для краткости, КХД. Последовательность ренормализационной процедуры состоит в том, что эффективная константа связи теории зависит от энергии, на которой она измеряется, а на очень больших энергиях она уменьшается до нуля. Данный феномен известен как асимптотическая свобода. Это означает, что кварки внутри адрона при высокоэнергетических столкновениях ведут себя почти так же, как свободные частицы, поэтому к их поведению можно с успехом применять теорию возмущений. Предположения теории возмущений довольно хорошо согласуются с результатами наблюдений, но нельзя сказать, что эта теория получила экспериментальное подтверждение. На малых энергиях эффективная константа связи становится очень большой, и теория возмущений не срабатывает. Есть надежда, что это «инфракрасное рабство» объяснит, почему кварки всегда заключены в бесцветных связанных состояниях, но пока еще никто не сумел убедительно это продемонстрировать.

Построив одну ренормализационную теорию для сильных взаимодействий, а другую для слабых и электромагнитных, было естественно поискать теорию, которая бы объединила эти две. Этим теориям дали довольно преувеличенное название «великие обобщенные теории». Это название несколько сбивает с толку, потому что они и не великие, и не полностью обобщенные, и не совсем теории, поскольку в них содержится множество неопределенных ренормализационных параметров, таких как константы связи и массы. Тем не менее они, возможно, стали знаменательным шагом по направлению к единой теории. Основная идея состоит в том, что константа связи сильных взаимодействий, большая на малых энергиях, на высоких энергиях постепенно уменьшается вследствие асимптотической свободы. С другой стороны, эффективная константа связи в теории Салама – Вайнберга, малая на низких энергиях, на высоких постепенно возрастает, поскольку эта теория не является асимптотически свободной. Если экстраполировать низкоэнергетический коэффициент и уменьшать константы связи, то обнаружится, что две константы связи становятся равными на энергии порядка 10^15 ГэВ (ГэВ – гигаэлектронвольт – это миллиард электрон-вольт, что примерно равно энергии, которая высвободилась бы, если бы один атом водорода полностью преобразовать в энергию. Для сравнения: энергия, выделяемая при химических реакциях, таких как горение, равняется приблизительно одному электронвольту на атом). Данные теории предполагают, что выше этой энергии сильные взаимодействия объединяются со слабыми и электромагнитными, но на меньших энергиях имеет место спонтанное нарушение симметрии.

Энергия в 10^15 ГэВ находится за пределами возможности лабораторного оборудования; нынешнее поколение ускорителей может произвести энергию центра масс около 10 ГэВ, а следующее поколение сможет произвести примерно 100 ГэВ. Этого хватит, чтобы исследовать энергии, при которых электромагнитные силы, согласно теории Салама – Вайнберга, должны объединяться со слабыми взаимодействиями, но это не та гигантская энергия, когда слабые и электромагнитные взаимодействия должны объединяться с сильными взаимодействиями. Тем не менее «великие обобщенные теории» могут предсказать кое-что доступное для проверки в лаборатории. Например, эти теории предсказывают, что протон не должен быть совершенно стабилен, а должен распадаться со временем жизни порядка 10^31 лет. Нижний предел современных лабораторных исследований времени жизни равен примерно 10^30 лет, и должна быть возможность его улучшить. Другое предположение, которое можно проверить, касается соотношения во Вселенной адронов и фотонов. Для частиц и античастиц должны быть одни и те же физические законы. Точнее, они должны быть теми же самыми, если частицы заменить античастицами, правое заменить левым и скорости всех частиц заменить на обратные. Это известно как теорема СРТ, и она является следствием из базового допущения, которое должно содержаться в любой осмысленной теории. И все же Земля, а на самом деле и вся Солнечная система, сделана из протонов и нейтронов, без антипротонов и антинейтронов. В самом деле, такой дисбаланс между частицами и античастицами есть еще одно априорное условие нашего существования, так как, если бы Солнечная система состояла из равной смеси частиц и античастиц, они бы аннигилировали друг с другом и осталось бы одно излучение. Из наблюдаемого отсутствия такого аннигиляционного излучения мы можем заключить, что наша Галактика полностью состоит скорее из частиц, чем из античастиц. У нас нет прямого свидетельства насчет других галактик, но кажется вероятным, что они состоят из частиц и что во Вселенной в целом частицы преобладают над античастицами – примерно в соотношении одна античастица к 10^8 частиц. Это можно принять в расчет, прибегнув к человеческому принципу, по «великие обобщенные теории» действительно дают механизм для объяснения такого дисбаланса. Хотя все взаимодействия, похоже, инвариантны к комбинациям С (замена частиц античастицами), Р (зеркальное отражение, левые и правые меняются местами) и Т (изменение направления движения всех частиц на обратное), известны взаимодействия, не инвариантные только к Г. В ранней Вселенной, где существует явно выраженное направление времени, заданное расширением, эти взаимодействия могут порождать больше частиц, чем античастиц. Однако число, которое они дают, очень зависит от модели, так что соответствие с наблюдениями вряд ли можно считать подтверждением «великих обобщенных теорий».

Пока что большинство усилий было направлено на то, чтобы обобщить первые три категории физических взаимодействий – сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм. Последней, четвертой, – гравитацией – пренебрегали. Одним из оправданий было то обстоятельство, что гравитация слишком слаба, и потому квантовый гравитационный эффект будет большим только на энергиях частиц выше достижимых на каком-либо ускорителе. Другое оправдание – что гравитация вряд ли ренормализуема: для получения конечного ответа, похоже, придется делать бесконечное число бесконечных вычитаний с соответственно бесконечным числом неопределенных конечных остатков. И все же, если мы хотим получить действительно всеобщую теорию, сюда надо включить и гравитацию. К тому же классическая общая теория относительности говорит, что должны существовать пространственно-временные сингулярности с бесконечно сильным гравитационным полем. Такие сингулярности имели место в начале нынешнего расширения Вселенной (Большой Взрыв) и, видимо, могут проявиться в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Вообще наличие сингулярностей ставит под сомнение классическую теорию. Однако не видно причины, почему она должна оказаться неверной, пока гравитационные поля не усилятся настолько, чтобы квантовый гравитационный эффект оказался существенным. Таким образом, квантовая теория гравитации является неотъемлемой частью общей теории, если мы хотим описать раннюю Вселенную и затем как-то объяснить начальные условия, а не просто прибегать к человеческому принципу.

Такая теория также нужна, если мы хотим ответить на вопрос: действительно ли время имеет начало и, возможно, конец, как это предсказывает классическая общая теория относительности, или сингулярности в Большом Взрыве и Большом Сжатии некоторым образом смазываются квантовыми эффектами? Это слишком трудный вопрос, чтобы ответить на него определенно, когда само строение пространства и времени подчиняется принципу неопределенности. Лично я ощущаю, что сингулярности, вероятно, все же существуют, хотя в математическом смысле время можно продолжить за них. Однако всякое время в субъективном понимании, относящееся к сознанию или способности производить измерения, должно когда-нибудь закончиться.

Каковы же перспективы создания квантовой теории гравитации и объединения ее с тремя другими категориями взаимодействий? Вся надежда, пожалуй, в дальнейшем обобщении общей теории относительности, называемом теорией супергравитации. В ней гравитация – частицы со спином 2, несущие гравитационное взаимодействие, – соотносится с другими нолями, описываемыми частицами с меньшим спином с помощью так называемых суперсимметричных трансформаций. Основное достоинство этой теории в том, что она уводит нас от старой дихотомии между «материей», представленной частицами с половинными спинами, и «взаимодействиями», представленными частицами с целочисленными спинами. Ее огромным преимуществом является и то, что бесконечности, возникающие в квантовой теории, взаимно отменяют друг друга. Отменяются ли все они, давая теории что-то конечное без бесконечных вычитаний, – это пока неизвестно. Есть надежда, что да, так как можно показать, что теории, включающие гравитацию, или конечны, или неренормализуемы, то есть если производить бесконечные вычитания, придется делать бесконечное число их с соответственно бесконечным числом неопределенных остатков. Таким образом, если все бесконечности в супергравитации окажутся взаимно отменены, мы могли бы получить теорию, не только полностью объединяющую все материальные частицы и взаимодействия, но и завершенную в том смысле, что она не будет иметь неопределенных по величине параметров ренормализации.

Хотя мы еще не имеем подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уж о теории, обобщающей и другие физические взаимодействия, у нас есть идея относительно некоторых особенностей, которые она должна иметь. Одна из них связана с тем фактом, что гравитация влияет на случайные структуры пространства-времени, то есть гравитация определяет, какие события могут случайно связываться с другими. Пример этого в классической общей теории относительности – черные дыры, представляющие собой область пространства-времени, где гравитационное поле так сильно, что свет или другие сигналы затягиваются туда и не могут выскользнуть во внешний мир. Это интенсивное гравитационное поле около черной дыры приводит к возникновению пар частица-античастица, одна из которых падает в черную дыру, а другая улетает в бесконечность. Улетающие частицы словно бы излучаются черной дырой. Удаленный от черной дыры наблюдатель может измерять только вылетающие частицы и не может связывать их с упавшими в черную дыру, потому что не наблюдает их. Это означает, что вылетающие частицы имеют повышенный уровень случайности или непредсказуемости по сравнению с тем, который обычно связан с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип неопределенности подразумевает возможность точно предсказать или положение, или скорость частицы, или сочетание положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, способность делать определенные утверждения делится пополам. Однако в случае с частицами, вылетевшими из черной дыры, невозможность наблюдать происходящее в черной дыре означает, что нельзя определенно предсказать ни положение, ни скорость вылетающих частиц. Все, что можно сказать, – это вероятности, с которыми частицы вылетают в определенных режимах.

Представляется, что, даже если мы построим единую теорию, то, возможно, сумеем сделать только статистические утверждения. Нам также придется отказаться от точки зрения, что существует лишь одна Вселенная, которую мы наблюдаем. Вместо этого придется привыкнуть к картине, где существуют всевозможные вселенные с некоторым вероятностным распределением. Это могло бы объяснить, почему Вселенная началась с Большого Взрыва в условиях почти совершенного термического равновесия, так как оно относилось бы к наибольшему числу микроскопических конфигураций и, следовательно, к наибольшей вероятности. Перефразируя вольтеровского Панглоса, можно сказать, что «мы живем в наиболее вероятном из возможных миров».

Каковы же перспективы, что мы построим завершенную единую теорию в не слишком отдаленном будущем? Каждый раз, когда мы распространяем наши наблюдения на меньший масштаб и более высокие энергии, мы открываем новые структурные уровни. В начале века открытие броуновского движения с типичной энергией частиц в 3 х 10^-2 эВ показало, что материя не непрерывна, а состоит из атомов. Чуть позже было открыто, что эти предположительно неделимые атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра с энергией в несколько электронвольт. Ядро, в свою очередь, оказалось состоящим из так называемых элементарных частиц, протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными связями порядка 10^6 эВ. Далее мы обнаружили, что протоны и электроны состоят из кварков, удерживаемых вместе связями с энергией порядка 10^9 эВ. И свидетельством того, как далеко мы зашли в теоретической физике, стали гигантские машины и куча денег на эксперименты, результаты которых мы предсказать не можем.

Исходя из прошлого опыта, можно было бы предположить, что существует бесконечная последовательность структурных уровней со все более и более высокой энергией. В самом деле, такой взгляд на бесконечную регрессию ящиков в ящиках был официальной догмой в Китае при Банде Четырех. Однако похоже, что гравитация должна обеспечить какой-то предел, но только в очень малом масштабе расстояний, порядка 10^-33 см, или при очень высокой энергии – порядка 10^28 эВ. При масштабах меньше этого можно ожидать, что пространство-время перестанет вести себя как континуум и из-за квантовых флюктуаций гравитационного поля превратится в пенообразную структуру.

Существует очень большая неисследованная область между нашим нынешним экспериментальным пределом примерно в 10^10 эВ и гравитационным ограничением в 10^28 эВ. Предположение, которое делают «великие обобщенные теории», а именно что в таком огромном интервале существует только один или два структурных уровня, может показаться наивным. Однако есть почва для оптимизма. В данный момент, по крайней мере, представляется, что гравитацию можно обобщить с другими физическими взаимодействиями только в какую-либо теорию «супергравитации». Оказалось, что число таких теорий конечно. В частности, самая большая из них – так называемая расширенная супергравитация с N = 8. Она содержит в себе один гравитон, семь частиц со спином 3/2, названных гравитоносами, двадцать восемь частиц со спином 1, пятьдесят шесть частиц со спином 1/2 и семьдесят частиц со спином 0. Как ни велики эти цифры, они не так огромны, чтобы мы не смогли объяснить все частицы, которые, похоже, наблюдаем в сильных и слабых взаимодействиях. Например, теория с N= 8 имеет двадцать восемь частиц со спином 1. Их достаточно, чтобы объяснить глюоны, несущие сильные взаимодействия, и две частицы из четырех, несущих слабые взаимодействия, но не оставшиеся две. Поэтому придется поверить, что многие или большинство из наблюдаемых частиц, такие как глюоны или кварки, в действительности не элементарные частицы, как кажется в настоящий момент, а связанные состояния фундаментальных частиц теории с N = 8. Если спроецировать нынешние экономические тенденции на будущее, не верится, что мы получим достаточно мощные ускорители, способные в обозримом будущем или вообще когда-либо прозондировать эти составные структуры. Тем не менее тот факт, что эти связанные состояния возникают из четкой теории с N = 8, позволяет нам сделать множество предположений, которые можно проверить на энергиях, доступных уже сейчас или в ближайшем будущем. Низкоэнергетические предсказания данной теории так хорошо согласуются с наблюдениями, что эта теория сейчас в целом принята, хотя мы еще не достигли энергии, при которой можно делать обобщение.

В описывающей Вселенную теории должно быть что-то очень четкое. Почему эта теория должна войти в жизнь, в то время как остальные теории существуют лишь в умах их изобретателей? Теория супергравитации с N= 8 имеет несколько заявлений, выделяющих ее из остальных. Похоже, она может оказаться единственной теорией, которая: а) работает в четырех измерениях, б) охватывает гравитацию, в) конечна без каких-либо бесконечных вычитаний.

Я уже указал, что если нам нужна завершенная теория без всяких параметров, третье свойство необходимо. Однако первые два трудно объяснить, не прибегая к человеческому принципу. Похоже, что есть непротиворечивая теория, удовлетворяющая требованиям а) и б), но не охватывающая гравитацию. Однако в такой Вселенной, вероятно, не найдется притягивающих сил, достаточных, чтобы собрать материю в большие массы, что, вероятно, необходимо для развития сложных структур. Вопрос, почему пространство-время должно быть четырехмерным, обычно считается вне компетенции физики. Однако для этого тоже есть хороший аргумент, опирающийся на человеческий принцип. Трех измерений для пространства-времени – то есть двух для пространства и одного для времени – явно не хватает для сложного организма. С другой стороны, если бы пространство имело более трех измерений, орбиты планет вокруг Солнца или электронов вокруг ядра были бы нестабильны и по спирали сходили бы внутрь. Это оставляет возможность для более чем одного измерения времени, но я из тех, кому такую Вселенную вообразить слишком трудно.

Пока что я косвенно допустил, что окончательная теория в принципе может существовать. Но так ли это? Есть по крайней мере три возможности:

1. Может быть единая завершенная теория.

2. Не может быть никакой окончательной теории, но может быть бесконечная последовательность таких теорий, что каждый частный класс наблюдений можно предсказать, взяв из цепи достаточно продвинутую теорию.

3. Не может быть никакой теории. Наблюдения нельзя описать или предсказать дальше определенной точки, за которой они становятся непредсказуемыми.

Третья точка зрения выдвигалась как аргумент против ученых XVII и XVIII веков: как могут они формулировать законы, ограничивающие свободу Бога передумать? Тем не менее они сформулировали, и это сошло им с рук. В нынешние времена возможность 3 мы уничтожили, охватив ее схемой: квантовая механика является ярким примером теории того, чего мы не знаем и не можем предсказать.

Возможность 2 дает нам картину бесконечной последовательности структур все более и более высокой энергии. Как я уже сказал, это представляется маловероятным, так как можно предположить, что на энергии Планка, порядка 10^28 эВ, будет предел. Это оставляет нам возможность 1. В данный момент единственным реальным кандидатом является теория супергравитации с N = 814. Может быть, в ближайшие годы будет сделано множество важных расчетов, которые, возможно, покажут несостоятельность этой теории. Если же она выдержит эти проверки, вероятно, пройдет еще несколько лет, прежде чем мы разработаем вычислительные методы, которые позволят нам что-то предсказывать, и прежде чем мы сможем объяснить начальные условия Вселенной так же, как частные физические законы. Это будет основной проблемой для физиков-теоретиков на следующую пару десятилетий. Но чтобы не заканчивать на такой несколько панической ноте, скажу, что им вряд ли понадобится существенно больше времени. Сейчас огромную помощь в исследованиях оказывают компьютеры, но их должен направлять человеческий разум. Однако если экстраполировать скорость их развития в последнее время, может показаться вполне реальным, что в будущем они целиком возьмут на себя теоретическую физику. Так что, возможно, уже виден конец если не теоретической физики, то физиков-теоретиков.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.