Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ГЛАВА 18. СНИЗУ ВВЕРХ или СВЕРХУ вниз?

Ничто не заменит ученым реальных экспериментальных результатов. Мы, физики, не сидели сложа руки последние 25 лет в ожидании пуска БАКа и появления надежных данных. Мы тщательнейшим образом обдумывали, что именно следует искать в экспериментах и что должны означать те или иные результаты. Мы также изучали данные экспериментов, проводившихся в этот период, и сумели узнать немало интересных подробностей об известных частицах и взаимодействиях, что помогало определиться с направлением основных исследований.

Этот период дал нам прекрасную возможность углубленно поразмышлять о вещах, не связанных напрямую с экспериментом. Самые интересные и смелые модели и теоретические прогнозы этого периода стали следствием углубленных математических исследований. Сомневаюсь, что мне, к примеру, пришло бы в голову заняться дополнительными измерениями или чисто математическими аспектами суперсимметрии, если бы экспериментальных данных было достаточно. Даже если бы измерения показали, что эти идеи верны, то без предварительной очень серьезной математической работы в их следствиях пришлось бы разбираться довольно долго.

И эксперименты, и математика способствуют развитию науки. Но дорога прогресса редко бывает простой и понятной, и физики по–разному смотрят на то, какая стратегия исследований является наилучшей. Авторы моделей используют подход «снизу вверх», представленный в главе 15; они начинают с известных фактов (выясненных в ходе экспериментов), а затем обращаются к оставшимся загадкам и особенностям, не нашедшим объяснения. При этом они часто и активно используют теоретические математические построения. В предыдущей главе мы познакомились с некоторыми примерами моделей и поговорили о том, как характер модели влияет на поиск, который будут проводить на БАКе экспериментаторы.

Другие, в особенности специалисты по теории струн, применяют подход «сверху вниз»: они начинают с теории, которую считают верной, — в данном случае с теории струн — и пытаются при помощи заложенных в нее принципов сформулировать непротиворечивую квантовую теорию гравитации. Теории, основанные на таком подходе, определены на высоких энергиях и малых расстояниях, и само название подхода является отсылкой к теоретическому утверждению о том, что все можно вывести из фундаментальных принципов, определенных на масштабе высоких энергий. Конечно, с названием можно запутаться — ведь высокие энергии соответствуют малым расстояниям, — но не стоит забывать, что объекты, действующие на малых расстояниях, представляют собой фундаментальный строительный материал любого вещества. При таком подходе все можно вывести из базовых принципов и фундаментальных факторов, которые определяются на малых расстояниях и высоких энергиях, — отсюда и название «сверху вниз».

В этой главе мы поговорим о подходах «снизу вверх» и «сверху вниз» и о том, чем они отличаются друг от друга. Мы попробуем разобраться в их различиях, но подумаем и о том, как они иногда сливаются, рождая замечательные идеи.

ТЕОРИЯ СТРУН

В отличие от авторов моделей, физики–теоретики с большей склонностью к математике пытаются работать, отталкиваясь от чистой теории. Каждый из нас надеется начать с единственной элегантной теории; лишь разобрав по косточкам все ее последствия, еле- дует попытаться применить полученные закономерности к экспериментальным данным. Почти любая попытка создания единой теории воплощает в себе такой подход, и теория струн здесь не исключение; это, возможно, самый показательный пример. Это попытка при помощи чисто теоретических рассуждений вывести наиболее фундаментальные принципы, из которых в принципе следуют все известные физические явления.

Специалисты по теории струн делают громадный скачок, перепрыгивая по физической шкале сразу от масштаба слабого взаимодействия к планковскому масштабу, при котором гравитация становится сильной. Маловероятно, что в обозримом будущем эти идеи удастся непосредственно проверить в эксперименте (хотя многомерные модели, описанные в предыдущей главе, могут стать приятным исключением). Но, несмотря на то что саму теорию струн проверить очень сложно, ее элементы порождают в умах теоретиков мысли и концепции, которые вполне могут войти в потенциально наблюдаемые модели.

Выбирая между теорией струн и строительством моделей, физики, по существу, задаются философским вопросом и выбирают между подходом Платона, который пытался проникнуть в суть зе- щей, опираясь на фундаментальные истины, и Аристотеля, исходившего из эмпирических наблюдений. Какой подход выбрать — «сверху вниз» или «снизу вверх»? Этот выбор можно сформулировать и иначе. Кто лучше — молодой Эйнштейн или старый? Первоначально Эйнштейн проводил мысленные эксперименты, основанные на реальных физических ситуациях. Тем не менее он также ценил красоту и элегантность. Даже когда экспериментальные результаты противоречили его мыслям о специальной теории относительности, он уверенно (и, как выяснилось в конце концов, верно) решал, что эксперимент ошибается, потому что его следствия были бы слишком некрасивыми и доверия не вызывали.

Эйнштейн стал склоняться к математическому подходу после того, как математика помогла ему завершить общую теорию относительности. Поскольку математические построения оказались необходимы для завершения его теории, позже Эйнштейн стал относиться к теоретическим методам с большим доверием. Однако пример Эйнштейна не позволяет сделать однозначный выбор: ведь, несмотря на успешное применение математики при создании общей теории относительности, более поздние математические поиски единой теории поля успехом не завершились.

Теория великого объединения, предложенная Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу, также была основана на подходе «сверху вниз». Вообще, подобные теории, как правило, базируются на реальных данных — при их создании авторы опираются на конкретный набор частиц и взаимодействий, существующих в Стандартной модели, а также на силу взаимодействий. Но при этом теория экстраполирует происходящее от того, что нам достоверно известно, до того, что, возможно, происходит на очень отдаленных от нас масштабах энергий.

Интересно, что хотя Великое объединение взаимодействий должно произойти на значительно более высоких энергиях, чем те, что могут быть достигнуты в ускорителях частиц, даже первоначальная модель теории позволяла прогнозировать потенциально наблюдаемые события. Так, модель теории Великого объединения Джорджи — Глэшоу предсказывала, что протон должен распадаться. Распад протона — редкое событие, но экспериментаторы проанализировали гигантский объем информации с надеждой найти видимый след хотя бы одного протонного распада. Когда этого не произошло, первоначальная теория Великого объединения была отвергнута.

С тех пор ни Джорджи, ни Глэшоу не работали над теориями, построенными «сверху вниз» и позволяющими сделать громадный скачок от энергий, которые мы можем непосредственно наблюдать в ускорителях, к энергиям, настолько от нас далеким, что происходящее там может давать лишь очень слабые экспериментально наблюдаемые следствия или, что еще вероятнее, не давать вообще никаких. Эти ученые решили, что шансы угадать принципы, действующие на много порядков дальше, чем все наблюдаемые в нашем мире явления, что мы непосредственно наблюдаем, просто ничтожны.

Несмотря на скепсис Джорджи и Глэшоу, многие физики решили, что разбираться с некоторыми сложными теоретическими вопросами можно только на основании подхода «сверху вниз». Специалисты по теории струн выбрали для себя область деятельности, которая не является в строгом смысле наукой, но уже породила множество интереснейших, хотя и противоречивых идей. Эти люди в какой?то степени разобрались в своей теории, но по большей части до сих пор заняты складыванием головоломки — ищут ключевые фундаментальные принципы и одновременно развивают свои радикальные идеи.

Рассматривать теорию струн как теорию гравитации их заставляют не конкретные экспериментальные данные, а теоретические загадки. Теория струн предлагает естественного кандидата на роль гравитона; в то же время квантовая механика говорит нам, что такая частица должна существовать и передавать гравитационное взаимодействие. В настоящее время эта теория — ведущий кандидат на роль полностью непротиворечивой теории квантовой гравитации — теории, в которую должны войти и квантовая механика, и общая теория относительности Эйнштейна и которая должна работать на всех представимых энергетических масштабах.

Физики могут использовать известные теории для надежного прогнозирования на малых расстояниях: к примеру, внутри атома, где квантовая механика играет огромную роль, а сила тяготения пренебрежимо мала. Поскольку гравитация почти не оказывает действия на частицы атомного масштаба масс, мы вполне можем учитывать только квантовую механику, а тяготение со спокойной совестью игнорировать. Кроме того, физики могут уверенно прогнозировать явления на больших расстояниях: к примеру, в пределах размеров галактик, где гравитация играет решающую роль, а квантовой механикой можно спокойно пренебречь[56].

Однако у нас нет теории, которая включала бы одновременно и квантовую механику, и гравитацию и работала бы на всех возможных энергиях и расстояниях. В частности, мы не знаем, как проводить расчеты на по–настоящему громадных энергиях и чрезвычайно малых расстояниях, сравнимых с энергией или длиной Планка. Поскольку на более тяжелые и энергичные частицы гравитация влияет сильнее, для частиц с массой порядка массы Планка она будет играть существенную роль. А на крохотной планковской длине будет очень заметно влияние квантовой механики.

Эта проблема ни в коем случае не снижает ценности вычислений, проведенных для наблюдаемых явлений — по крайней мере для любых явлений в БАКе, — но она означает, что теоретическая физика на данный момент неполна. Физики пока не знают, как непротиворечиво включить квантовую механику и гравитацию на чрезвычайно высоких энергиях и малых расстояниях, где влияние обоих взаимодействий примерно одинаково важно для прогнозов и ни одним из них нельзя пренебречь. Этот важный пробел в наших знаниях о мире потенциально способен указать нам путь вперед. Многие считают, что теория струн может быть решением проблемы.

Название «теория струн» происходит от фундаментальных осциллирующих струн, лежавших в основе первоначальной формулировки теории. Частицы в теории струн существуют, но возникают в результате колебаний струны. Различные частицы соответствуют различным колебаниям — примерно так же, как вибрации одной и той же скрипичной струны могут рождать разные ноты. В принципе, экспериментальным доказательством теории струн должно стать обнаружение новых частиц, соответствующих многочисленным дополнительным модам вибрации струны.

Однако в большинстве своем такие частицы, скорее всего, окажутся слишком тяжелыми, чтобы мы когда?нибудь смогли их непосредственно наблюдать; именно поэтому так трудно экспериментально проверить, действительно ли теория струн верно описывает природу. Уравнения теории струн описывают объекты настолько невероятно крохотные и обладающие при этом такой невероятно высокой энергией, что никакой детектор, который мы в состоянии себе хотя бы вообразить, не способен их зарегистрировать. Теория определена на масштабе энергий, которые примерно в десять миллионов миллиардов раз превосходят все, что мы можем экспериментально исследовать при современном уровне техники. А ведь в настоящее время мы не знаем даже, что произойдет при увеличении энергии столкновения частиц в коллайдере всего на один порядок — в 10 раз.

Специалисты по теории струн не могут точно предсказать, что происходит на экспериментально достижимом диапазоне энергий, потому что содержимое и другие свойства частиц в теории струн зависят от пока не установленной конфигурации фундаментальных составляющих. Следствия теории струн в природе зависят от того, как организованы элементы. В современной формулировке теория струн содержит больше частиц, взаимодействий и измерений, чем мы наблюдаем в окружающем нас мире. Что же тогда отличает видимые частицы, взаимодействия и измерения от невидимых?

Пространство в теории струн — это не обязательно то трехмерное пространство, которое мы видим вокруг себя. Вместо этого формулы теории струн описывают шесть или семь дополнительных пространственных измерений. Работоспособная версия теории струн должна объяснять, чем невидимые дополнительные измерения отличаются от трех известных нам. Как бы интересна и замечательна ни была теория струн, ее загадочные особенности, такие как несколько дополнительных измерений, затрудняют ее привязку к реальной действительности и видимой Вселенной.

Чтобы перейти от высоких энергий, для которых определена теория струн, к прогнозам в измеримых диапазонах энергий, необходимо выяснить, как будет выглядеть оригинальная теория без самых тяжелых частиц. Существует немало возможных проявлений теории струн в достижимом диапазоне энергий, но мы пока не знаем, как различить между собой громадное число возможных вариантов или хотя бы выделить среди них вариант, похожий на наш мир. Проблема в том, что мы пока недостаточно хорошо понимаем теорию струн, чтобы предсказать ее следствия в видимом диапазоне энергий. Сложность теории мешает нам делать точные прогнозы. Мало того, что она ставит перед нами сложнейшие математические задачи; иногда вообще не ясно, как правильно организовать ингредиенты теории струн и определить, какую именно математическую задачу следует решать.

Помимо всего прочего, мы теперь знаем, что теория струн гораздо сложнее, чем первоначально считалось, и включает в себя множество других ингредиентов с разными размерностями — бран. Название «теория струн» продолжает использоваться, но физики говорят также об М–теории, хотя никто достоверно не знает, что в этом названии означает буква М.

Теория струн — величественное сооружение, которое уже помогло нам открыть для себя новые глубины математики и физики, и она вполне может содержать в себе кусочки верного фундаментального описания природы. К несчастью, громадная теоретическая пропасть отделяет эту теорию в ее современном виде от возможности прогнозировать на ее основе явления нашего мира.

В конечном итоге, если теория струн верна, то все модели, описывающие явления реального мира, должны выводиться из ее фундаментальных принципов. Но нынешняя формулировка этой теории абстрактна, а ее связь с наблюдаемыми явлениями очень слаба. Нам очень повезет, если удастся найти верные физические принципы, с учетом которых теоретические предсказания теории струн будут соответствовать нашему миру. Это, разумеется, конечная цель теории струн, но задача эта невероятно сложна.

Хотя элегантность и простота могут быть отличительными чертами верной теории, по–настоящему судить о ее красоте мы можем лишь тогда, когда достигнем достаточно полного понимания принципов ее работы. Выяснение того, как и почему природа прячет дополнительные измерения теории струн, стало бы поразительным достижением. Физики очень хотят понять, как это происходит.

ЛАНДШАФТ

Как я пошутила в книге «Закрученные пассажи», большинство попыток приблизить теорию струн к реальности явственно отдает пластической хирургией. Чтобы согласовать теорию струн с реалиями нашего мира, теоретикам приходится прятать то, чего здесь быть не должно, удалять частицы и скромно убирать с глаз долой лишние измерения. Но, несмотря на то что получившийся в результате комплект частиц иногда поразительно похож на правильный, всегда можно разглядеть, что похож?то он похож, да не совсем.

В последнее время попытки приблизить теорию струн к реальности чем?то напоминают кастинг актеров. Ну и что, что большинство явившихся на прослушивание девиц играть не умеет, а у некоторых лица не выражают никаких эмоций. Если как следует поработать и устроить достаточно прослушиваний, в конце концов вполне может появиться красивая, талантливая и очень перспективная актриса.

Точно так же некоторые идеи теории струн основаны на том, что наша Вселенная представляет собой редкое, но идеальное сочетание всех составных частей. Даже если теория струн сумеет в конце концов объединить все известные взаимодействия и частицы, может оказаться, что в ней присутствует единственный стабильный бассейн, представляющий конкретный набор частиц, сил и взаимодействий, или, что вероятнее, более сложный ландшафт с множеством возможных холмов и долин и соответственно множеством разнообразных следствий.

Судя по недавним исследованиям, теория струн может проявлять себя во множестве возможных вселенных — в сценарии, соответствующем варианту мультивселенной. Разные вселенные могут находиться так далеко друг от друга, что никогда не взаимодействуют — даже через силу тяготения — за все время своего существования. В этом случае каждая из вселенных может развиваться по собственному пути, а мы окажемся лишь в одной из них.

Если бы такие вселенные существовали, а способов заселить их у нас не было, то мы с полным основанием могли бы игнорировать все вселенные, кроме собственной. Но космологическая эволюция по крайней мере обеспечивает способы создания их всех. А разные вселенные могут обладать существенно разными свойствами; в них все может быть разным: вещество, типы взаимодействий, энергия.

Некоторые физики используют идею ландшафта вкупе с антропным принципом, чтобы попытаться обойти один из особенно неприятных вопросов теории струн и физики элементарных частиц. Суть антропного принципа заключается в том, что поскольку мы обитаем во Вселенной, допускающей существование галактик и жизни, то определенные параметры должны принимать (по крайней мере, примерно) именно те величины, которые они и имеют в реальности, в противном случае задаваться этими вопросами было бы просто некому. К примеру, наша Вселенная не могла обладать такой высокой энергией, чтобы расширяться с большей скоростью — так, чтобы вещество не успело сконденсироваться в различные космические объекты.

В таком случае нам нужно определить, какие физические особенности, если таковые имеются, выделяют одно–единственное сочетание частиц, сил и энергий (а именно наше) из всех возможных. Мы ведь даже не знаем, какие свойства должны быть предсказуемыми, а какие попросту необходимы для того, чтобы мы жили на Земле и могли обсуждать научные проблемы. Какие свойства имеют фундаментальные объяснения, а какие случайны и определяются местными условиями?

Лично я считаю, что ландшафт из множества возможных конфигураций, где мы могли бы в принципе существовать, вполне возможен, потому что у любой системы уравнений гравитации, которые мы в состоянии придумать, существует множество возможных решений; я не вижу ни одной причины, по которой то, что мы видим вокруг, было бы единственным и неповторимым. Но антропный принцип как средство объяснения наблюдаемых явлений меня не удовлетворяет. Проблема в том, что мы никогда не знаем, достаточно ли для этого одного только антропного принципа. Какие явления мы по идее должны точно предсказывать, а какие определяются просто обстоятельствами? Помимо всего прочего, антропный принцип невозможно проверить. Он может оказаться верным. Но мы всегда готовы от него отказаться, если найдется более фундаментальное и проверяемое объяснение.

ВЕРНЕМСЯ НА ЗЕМЛЮ

Теория струн, скорее всего, содержит немало глубоких и перспективных идей. Она уже помогла нам заглянуть краешком глаза во владения квантовой гравитации и математики и обеспечила интересными ингредиентами для построения новых моделей. Но, скорее всего, пройдет еще немало времени, прежде чем мы сможем в достаточной мере разобраться в теории, чтобы ответить на самые интересные для нас вопросы. Вывести следствия теории струн для нашего реального мира просто так, на основании чисто теоретических построений, может оказаться слишком сложно. Даже если на базе теории струн в принципе можно построить удачные модели, отыскать их будет очень трудно из?за множества избыточных элементов.

Модельный подход в физике подпитывается интуитивным ощущением того, что энергии, при которых теория струн способна делать конкретные прогнозы, слишком далеки от нас и совершенно недоступны. Как и в ситуации со многими другими явлениями, которые на разных масштабах описываются по–разному, очень может быть, что механизмы, отвечающие за загадки физики элементарных частиц, лучше всего изучать на релевантных энергиях.

Физики стремятся к общей глобальной цели, но мнение о том, как лучше всего этой цели достичь, у каждого свое. Я предпочитаю модельный подход, потому что экспериментальные данные, которые, возможно, будут получены в ближайшее время, дадут новую пищу для оценки и построения моделей. Мы с коллегами иногда пользуемся идеями из теории струн, а некоторые из наших исследований имеют для теории струн непосредственное значение, но применение теории струн само по себе не является нашей главной целью. Наша цель — разобраться в проверяемых явлениях. Модели можно описывать и проверять экспериментально, даже если они никак не связаны с самыми фундаментальными физическими теориями.

Авторы моделей прагматично признают, что мы не в состоянии вывести все сразу. Предположения, на которых основана модель, могут быть частью фундаментальной теории, а могут просто освещать новые отношения, базирующиеся на еще более глубоких теоретических основаниях. Модели — это эффективные теории. Если верность какой?то модели подтверждается экспериментально, то эта модель может указать специалистам по теории струн направление новых исследований. Приверженцы построения моделей, в свою очередь, уже черпают — и не без пользы — из богатого набора идей, выработанных на основе теории струн.

Но модели в первую очередь сосредоточиваются на относительно низких энергиях и экспериментах, исследующих эти энергетические диапазоны.

Модели, выходящие за рамки Стандартной модели, включают в себя также и ее компоненты как результат действия модели на уже исследованных уровнях энергий; но, помимо этого, они работают с новыми силами, новыми частицами и новыми типами взаимодействия, которые можно зарегистрировать только на малых расстояниях. Даже в этих условиях полностью согласовать модель с явлениями реального мира очень трудно, и в процессе согласования результирующая точная модель, как правило, теряет значительную долю своей первоначальной элегантности. Поэтому авторы моделей внимательно следят за появлением новых идей.

Слушатели часто удивляются, когда я говорю, что работаю одновременно над несколькими моделями, зная при этом, что все они не могут оказаться верными и что данные БАКа, вероятно, помогут в них разобраться и определить, которая из них верна. Они удивляются еще сильнее, когда слышат, что я не обязательно приписываю очень уж большую вероятность той модели, над которой работаю. Тем не менее я стараюсь выбирать такие модели, которые освещали бы по–настоящему новый способ экспериментального поиска. Модели, которые я рассматриваю, имеют, как правило, какую?нибудь интересную черту или механизм, предлагающие возможное объяснение загадочных явлений. Учитывая множество неизвестных — и неопределенные критерии прогресса, — прогнозирование и интерпретирование реальности представляет собой серьезную проблему. Только чудом можно было бы создать единственно верную модель с первой попытки.

В теориях многомерного мира есть очень интересная черта: в их создании участвовали оба подхода — и «снизу вверх», и «сверху вниз». Специалисты по теории струн признали принципиальную важность бран в своих теоретических построениях. А приверженцы подхода «снизу вверх» поняли, что, переформулировав проблему иерархии в терминах гравитации, можно найти альтернативные решения.

В настоящее время теоретические идеи проходят проверку на Большом адронном коллайдере. Сделанные на БАКе открытия, какими бы они ни оказались, будут направлять и сдерживать в будущем создание моделей. Получив экспериментальные результаты для энергичных столкновений, мы сможем определить, какие из моделей истинны. Даже если наблюдения не подтвердят ни одной из предложенных моделей, опыт их создания поможет нам ограничить диапазон возможностей и приблизиться к истине.

Моделирование помогает распознать возможности, предложить новые поисковые стратегии и корректно интерпретировать уже полученные данные. Возможно, нам повезет угадать. Но моделирование также позволяет нам внимательнее взглянуть на цель нашего поиска. Даже если в ходе экспериментов не оправдаются полностью предсказания ни одной из моделей, они все же помогут нам разобраться в любых полученных результатах. Именно экспериментальные результаты должны рассортировать многочисленные идеи и гипотезы и определить, которая из них — если такая есть — верно описывает действительность. Если ни одна из существующих моделей не сработает, данные помогут нам в работе над новыми моделями.

Высокоэнергетические эксперименты — не просто поиск новых частиц. Это, по существу, поиск структуры фундаментальных физических законов, обладающих еще большими объяснительными возможностями. Пока эксперименты не дадут ответов на наши вопросы, мы можем лишь строить предположения. Пока мы не стесняемся применять эстетические критерии при выборе модели, которая представляется нам верной. Но, когда в экспериментах будут достигнуты энергии или расстояния и набрана статистика, необходимая для различения моделей, мы будем знать много больше. Экспериментальные результаты — те, что мы надеемся получить на БАКе — определят, какие из наших предположений верны, и таким образом помогут установить фундаментальную природу реальности.