Теорія струн мала стати головним досягненням фізики. Теорією, яка пояснює все за допомогою однієї простої та елегантної ідеї.
Ви, я, матерія в цілому, навколишній простір, фундаментальніша природа реальності - все це великий клубок мікроскопічних струн, не підвладних для спостереження. Без сумніву, прекрасна ідея, на розробку якої тисячі фізиків витратили щонайменше п'ять десятиліть. Але останні 20 років щось пішло не так.
Теорія струн втратила статус проривної концепції. Розпочалися "струнні війни”, які незабаром затихли внаслідок дефіциту методологічної та фактологічної бази.
Перемир'я продовжується дотепер. Хоча... чим займаються теоретики? Які перспективи розвитку теорії струн? Куди далі рухатися? Про це ми й поговоримо в цій статті.
Шлях до теорії струн
Перша половина 20-го століття - золотий вік сучасної фізики. Одне відкриття переслідувало інше, а науковці швидко розробляли нові теорії для пояснення нових, революційних спостережень.
Айнштайн перейшов від спеціальної до загальної теорії відносності. Остання пройшла майже всі випробування і зараз потребує хіба що певної корекції відносно тих астрономічних об'єктів, які виникають на полях наукових видань з неймовірною швидкістю.
Квантова механіка трансформувалась у квантову теорію поля. І врешті-решт, на початку 1970-х років, фізики завершили формування Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Ми знаємо все, - так теж думали вчені наприкінці 19 сторіччя...
Стандартна модель описує світ як компіляцію трьох фундаментальних сил природи. Але їхня фундаментальність не означає, що фізика не виникає з чогось іншого. Навпаки, все інше випливає з базових взаємодій.
По-перше, існує електромагнітна сила, яка сама по собі являє собою комбінацію електричної та магнітної сили. Далі - сильна та слабка ядерна взаємодія. Проблема “лише” в тому, що Стандартна модель ігнорує гравітацію.
“Всесвітнє тяжіння” все ще описується загальною теорією відносності Айнштайна. Що виглядає неприродно: або ми описуємо природу як одне ціле або відмовляємося від мови фронтальної фундаментальності.
Так, більшість фізиків вважали тоді й продовжують вважати сьогодні, що стандартна модель не може повністю задовольняти статус “теорії природи”, - адже вона має описувати всі фундаментальні сили, всі чотири сили, як одне ціле.
Назвемо таку концепцію “теорія всього”. Не дивно, чому після завершення роботи над Стандартною моделлю теорія струн швидко стала найгарячішим претендентом на роль фундатора наших знань про те, як влаштований світ.
Ідея теорії струн виникла у фізиків-ядерників, які хотіли дізнатися, що відбувається всередині протонів і нейтронів. Науковці домовились, що атомні ядра складаються з трьох кварків, які утримуються глюонами.
Але глюони не просто так утворюють однорідний протоатомнийсуп. Вони перетікають між іншими структурами, формуючи так звані “корені”. Саме ці “корені” відомі як трубки глюонного потоку, а вони, в свою чергу, “трохи схожі” на струни.
У 80-х виникла теорія струн. Атомна версія все ще існує і зводиться до пошуку розуміння того, що роблять глюони. Але теорія струн, якою ми тут цікавимось, - зовсім інше.
Нагадаємо, коли фізики вивчали, чим займаються струни, вони припустили, що деякі з них поводяться як міфічні гравітони - частинки, що нібито продукують гравітацію.
Тобто частинка, яка ніколи не спостерігалася. І яка не потрібна, якщо ми визнаємо вірною загальну теорію відносності. Навіщо тоді викривлення простору-часу, якщо є дещо, що переносить гравітацію?
Частина фізиків зрозуміла методологічну помилку і... придумала гравітацію квантових властивостей. Водночас струни були настільки універсальними, що могли поводитися і як частинки, з яких складається матерія, і як частинки, з яких складається світло. Струни замінили все наявне.
Хибна Суперсиметрія
Здавалось, ми знайшли теорію всього. Здавалось, теорія струн пояснює все. До першої проблеми: вакуум, згідно нової концепції, має бути нестабільним.
Рівняння кажуть, що він розпадається на чисту енергію, руйнуючи разом з нею навколишній всесвіт. Який вихід? Правильно, традиційний: виникає ідея нової сутності, яку назвали суперсиметрією.
Суперсиметрія чудово розв'язала проблему, але вона вимагала, щоб кожна з частинок у Стандартній моделі мала частинку-партнера, приховану від спостережень. Питання в тому, де перебувають всі суперсиметричні частинки-партнери.
Теоретики стверджували, що вони існують, просто ми не можемо їх побачити, бо вони надто важкі. А щоб створити важку частинку, потрібно багато енергії. Наприклад, занадто великий і неймовірно дорогий колайдер. Якого розміру? Ми точно не знаємо. Але точно не площею в тисячу кілометрів. Набагато більше.
Далі, навіть якщо це так, тоді потрібно якось поміряти тип процесу, не характерний для Стандартної моделі. Йдеться про так звані нейтральні струми, доказ існування яких мали з'явитися на початку 1990-х років на Великому електронно-позитронному колайдері у Фермілабі. Все ще чекаємо.
Елегантність математики проти жорстокої реальності
Прийшли нульові, а разом із ними - вимога існування десяти вимірів простору. Інакше формули разом із математичними об'єктами перестають працювати належним чином.
На жаль, простір, в якому ми перебуваємо, має лише три виміри. Теоретики, звісно ж, кажуть, що додаткові виміри згорнуті до таких малих розмірів, що ми їх не помічаємо.
Добре, хай так. Вимірювання чогось малого вимагає багато енергії, а ми не здатні помітити першоджерело, тому що не змогли досягти зіткнень частинок з достатньо високою енергією.
Проблема в тому, що ми можемо говорити тільки про один розмір, згорнутий в соломинку. Якщо ж у вас є шість вимірів, тоді виникає неймовірна кількість способів згорнути ці виміри, - близько сотні тисяч. 10 вимірів — мільярди разів. Абсурд? Так. Але проблеми на цьому не закінчились.
Теорія струн найкраще працює у всесвіті з від'ємною космологічною сталою, і теоретики вирішили, що це саме так. Інакше прийдеться відмовлятися від принципу розширення всесвіту й закону Габбла. А це неможливо: сучасна космологія тримається саме на ідеї прискореного розширення.
Крім того, виявилося, що теорія струн насправді не відтворює загальну теорію відносності, а породжує її модифіковану версію, яка, в свою чергу, вступає в конфлікт з експериментом, якщо не додати декілька вимог. Тобто вимог існування додаткових сутностей, не підвладним сучасним вимірюванням.
Повертаємось до старого конфлікту між Айнштайном та Бором: а що вимірювати? Нічого. Тому прийдеться рахувати. Чим і займаються теоретики струн, - створенням нових математичних, а не фізичних, об'єктів.
Все тому, що відтворити Стандартну модель та теорію відносності в межах ландшафту теорій струн неможливо.
Розкол
Наприкінці 1990-х років майже одночасно сталися дві події, які розділили сучасну фізику на два ворожих напрямки. Спочатку науковці спробували вичавити з теорії струн будь-які натяки на емпіричні факти, що врешті-решт призвело до зворотного ефекту: струнні експерименти перейшли зі сфери фундаментальної фізики до надабстрактної математики, а згодом до "струнної війни".
Інша подія - сумнів американського фізика-теоретика Хуана Мальдасени щодо оригінальності теоретичних підходів: деякі спрощені випадки теорії струн подібні до вже відомих теорій. Вони просто описують певні типи матерії іншою мовою, повторюючи вже відомі речі.
Наукова спільнота заговорила про так звану ADS-CFT відповідність - калібрувально-гравітаційну дуальність, взаємозв'язок між двома видами фізичних теорій.
З одного боку, математичний об'єкт “простір анти-де Сіттера” (AdS) застосовується в теоріях квантової гравітації, сформульованих у термінах теорії струн або М-теорії.
З іншого боку, конформна теорія поля (CFT) адаптує квантовою теорією поля до опису сильної взаємодії елементарних частинок, яка, в свою чергу, формує інший математичний об'єкт - поле Янга-Міллса. Саме він забезпечує реалізацією голографічного принципу, коли властивості простору задають кордони обмеженого простору. Наприклад, позначають межі горизонту подій чорної діри.
А це означає, що гравітаційні ефекти чорної діри, згідно з положеннями деяких версій теорії струн, не мають особливого значення: світло не випромінюється у відкритий космос не тому, що велика гравітація, а тому, що властивості простору обмежують розповсюдження звичних для нас фізичних законів — прямий наслідок теорії відносності, між іншим.
Разом із тим спільнота фізиків дуже критично ставилась до подібної процедури. Так, Річард Фейнман, взагалі не визнавав теорію струн науковою.
“Я вважаю, що всі ці суперструни - божевілля, і вони рухаються в неправильному напрямку” — вказував науковець в одному із чисельних інтерв'ю.
На його думку, все, що не збігається з експериментом, прихильники струнної фізики підтасовують аби їх концепція виглядала правдивою. Математика й формули сходяться — значить немає проблем і з природними явищами. Навіть якщо ці явища не присутні в реальності.
Струнний удар
Прикордоння 90-х та нульових. Вельми шановні в науковому товаристві Німа Аркані-Хамед та Ліза Ренделл проголосили, що насправді розміри струн можуть бути настільки великими, що Великий адронний колайдер здатний перевірити теорію.
На той час ВАК тільки запланували. Мало того, до його запуску залишалося десять років. Не існувало жодної причини, чому струни повинні бути настільки великими, щоб з'явитися в надрах колайдера. Але припущення сприйняли в якості істини останньої інстанції.
Чому так? Так тому, що фізиків не мають філософської освіти, особливо з філософії науки. Вони вважають, що займаються “точними” вимірюваннями-дослідженнями й не потребують додаткової методологічної бази, особливо щодо розуміння практик та технологій виробництва наукового знання.
Тому не дивно, що вчені були переконані, що їм вдасться дуже швидко перевірити основні положення теорії струн. В результаті — після запуску колайдера - протягом одного-двох років з'явилися буквально тисячі елементарних частинок, щоправда, тільки на папері; навіть астрофізиків запевняли, що використовують теорію струн для передбачення майбутніх експериментів.
Йшов час, кількість частинок зростало, перевішуючи всі очікування. Але більшість з них миттєво виникали та зникали, експериментально не повторюючись. Теорія ж залишалась не верифікованою. Що вважати доказом ТС, теж являло собою методологічну проблему: який фізичний об'єкт необхідно знайти, щоб підтвердити існування об'єкта математичного? Отож.
Інституціоналізація псевдонауки та крах теорії
Сучасна наука обрала інституціональний шлях теоретичного визнання. Включення теорії струн у грантову пропозицію стало способом отримати фінансування власних досліджень. І легалізації (псевдо)наукових досліджень. Або трамплінів для академічної кар'єри.
Та ж Ліза Ренделл стала одним з найбільш цитованих фізиків за всю історію науки. Німа Аркані-Хамед отримав ряд премій за відкриття, не пов'язаних з науковою актуальністю. Все вирішили десятки тисяч цитат в сотнях тисячах статей про... ніщо. Відомість та популярність перетворились на ознаку фізичного буття.
І... нічого не відбувалося. Тільки в 2006 році з'явилися перші дві книжки, які поставили під сумнів теорію струн.
Одна з них - "Проблеми з фізикою" Лі Смоліна, інша - "Навіть не неправильно" Пітера Фойґта. Смолін скористався можливістю просунути свій підхід до квантової гравітації, петльової квантової гравітації, хоча вже було очевидно, що це теж ні до чого не призведе. Фойгт, в свою чергу, зосередився на технічних проблемах, які теоретики струн, звісно, дружно проігнорували.
Дискусії не вийшло. Власне, чому ми й кажемо про “струнні війни”. Аргументація Смоліна та Фойгта була занадто слабкою й орієнтованою на другорядні речі, а лідери теорії струн — Ленні Зюскінд та Майкл Дафф — скотилися до відвертих персональних образ. Все через віру в те, що ВАК знайде докази суперсиметрії, і це дасть вкрай необхідний поштовх для розвитку теорії струн.
Але пройшло 14 років... жодних доказів суперсиметрії, екзодименсій, струнних кульок, гравітонів або чогось іншого. Бульбашка луснула, війни припинились разом із дуже дивними звинуваченнями ВАК (!) у нездатності віднайти суперсиметрію.
Анти-де-сіттерова голографія
Чи означає вищесказане смерть теорії струн як напрямку фізики? Ні. Хоча дійсно, від багатьох версій ТС прийшлося відмовиться.
Тож, повертаємось до позитивної космологічної сталої та позаматеріального всесвіту, розміщеному у просторі де Сіттера.
Всесвіт з від'ємною космологічною сталою називається антипростором де Сіттера, скорочено ADS. Це означає, що знак змодельованої сталої - від'ємний. Теорія струн добре працює в анти-де-сіттерових просторах, використовуючи додаткові математичні об'єкти, не характерні для опису “звичайної природи”.
Але, як ми вказали вище, занадто висока технічність теорії нічого не пояснює, а в деяких моментах повторює відомі факти. Для прикладу: якщо ви визнаєте існування квантової гравітації у всесвіті з від'ємною космологічною сталою, то її потрібно розмістити в анти-де-сіттерівський простір з трьома вимірами простору плюс один вимір часу. В результаті з'являється конформна теорія без гравітації у двох вимірах плюс один вимір часу. Звідси, до речі, всі розмови про плоску Землю: останню видумали не стільки люди з обмеженою шкільною освітою, скільки науковці, які прагнуть довести існування матеріального в надуманому математичному світі - матерія не існує поза меж гравітації.
Таким чином знімається проблема квантування гравітації, адже фізики тепер можуть сказати, що математично це квантова гравітація у всесвіті, де ми не живемо.
Але Хуан Мартін Мальдасена насправді говорив про дві інші речі. По-перше, ми могли б використати знайому математику для опису квантової гравітації в “кабінетному” анти-де-сіттеровому просторі. По-друге, ми могли б використати методологічний апарат теорії струн, щоб вказати на особливості поведінки матерії без гравітації або коли гравітація має дуже малий вплив, тобто її можна ігнорувати.
Другий варіант цікавий тим, що гравітацію можна ігнорувати майже у всіх експериментах з елементарними частинками та в ядерній фізиці. Не те щоб гравітації там не було, але вона настільки слабка порівняно з ядерними та електромагнітними взаємодіями, що не існує потреби робити додаткові розрахунки. Без жодного натяку на теорію всього.
В пошуках нової математики
В реальності ми не живемо в анти-де-сіттерівському просторі, а використання теорії струн для опису матерії без гравітації ніяк не допомагає уніфікувати фундаментальні взаємодії саме тому, що такий підхід не містить гравітації.
Той же Мальдасена колись виступав з ідеєю, що насправді анти-де-сіттерівський простір чимось схожий на де-сіттерівський простір, тож нам не варто надто перейматися знаком космологічної сталої. Майже правильно, якби не критичне визнання “прискореного розширення всесвіту”.
По суті, теорія призводить до визнання тотожності космосу та плоскої чорної діри. Так, ми не потрапляємо в паралельну реальність по дорозі на роботу, хоча й мислимо Землю саме як плоску Землю, а всесвіт — як великий млинець, що постійно рушає з нізвідки до нікуди.
Це не означає, що теорія струн — глухий кут. Деякі методи вижили й навіть використовуються сьогодні в суміжних галузях фізики.
Що добре: спочатку проводяться математичні експерименти, створюються нові формули та методологічний апарат, а потім нова математика адаптується для реальних експериментів. Наука так розвивалась з часів аль-Хорезмі й Коперника.
