Проблемы с теорией всего

Не существует физической теории, которая объясняла бы все на свете – и она никогда не появится.
Произнося любую из ваших повседневных фраз вы неявно подразумеваете некий масштаб, на котором она действует. Смотрите сами. Говоря «я очень занят», вы имеете ввиду совершенно определённый промежуток времени: например, сегодня или на этой неделе. Не в этом столетии и не в эту наносекунду. Фраза «налоги обременительны» имеет смысл только при конкретной сумме дохода. И так далее.

Вы можете сказать, что в науке таких ограничений не существует. Действительно, после появления научного метода долгие века считалось, что существуют теории, объясняющие всё на свете, – даже если мы не можем быть заранее уверены в этом эмпирически. Закон всемирного тяготения Ньютона, например, был, в общем-то, универсальным! Закон провел параллель между падением яблок и движением планет и учитывал каждое значительное наблюдение, сделанное под солнцем. И над солнцем.

С появлением теории относительности и, в особенности, общей теории относительности, стало ясно, что закон всемирного притяжения Ньютона был только лишь приближением к более фундаментальной теории. Но общая теория относительности – более фундаментальная теория, была настолько математически прекрасна, что казалось логичным предположить, будто она полностью систематизировала поведение времени и пространства в присутствии массы и энергии.

Всё изменило появление квантовой механики. Когда квантовая механика соединяется с теорией относительности, всё перестаёт работать. Этот факт ведет к, вероятно, самой грандиозной научной революции XX века: нам не известно ни одной теории, которая была бы одновременно и связана с эмпирическим миром, и всегда верна. Несмотря на это, физики-теоретики потратили много сил и энергии на создание “теории всего”. Итак, что дальше? Является ли универсальная теория логичной целью, или ученые действительно всегда будут зависеть от масштабов, в которых работают?

Объединение квантовой механики с теорией относительности способствует немедленному появлению проблемы с масштабами. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, лежащий в самом сердце квантовой механики, говорит, что на малых масштабах и коротких интервалах времени невозможно совершенно точно одновременно измерить положение и скорость элементарных частиц. Существует изначальная неопределенность энергии и момента, от которой невозможно избавиться. Когда это объединяется со специальной теорией относительности, невозможно даже измерить количество частиц, присутствующих в малом масштабе в коротком интервале времени. Так называемые «виртуальные частицы» (абстрактные объекты в квантовой теории поля) могут внезапно появляться и внезапно исчезать в вакууме на столь малое времени, что его даже нельзя измерить.

Поразительный эффект заключается в том, что когда мы измеряем величину силы, действующей между электронами, скажем, фактический заряд электрона – то, что определяет величину электрической силы – зависит от того, по какой шкале ведется измерение. Чем ближе вы к электрону, тем глубже вы проникаете внутрь «облака» виртуальных частиц, окружающих электрон. Поскольку положительные виртуальные частицы притягиваются к электрону, то чем глубже вы проникаете в облако, тем оно становится менее положительным и тем более отрицателен заряд электрона.

Таким образом, чтобы рассчитать силы между двумя частицами, вам необходимо учесть эффекты всех возможных виртуальных частиц, которые могли бы выскочить из пустого пространства во время измерения силы. Среди этих частицы будут и частицы со сколь угодно большими величинами массы и энергии, появляющиеся на произвольно малый промежуток времени. Если вы учтете эти эффекты, рассчитанная вами сила станет бесконечной.

Ричард Фейнман получил Нобелевскую премию за разработку метода последовательного расчета конечной остаточной силы после извлечения разнообразных неоднозначных бесконечностей. Теперь на основе фундаментальных принципов мы можем вычислить, например, магнитный момент электрона до десятизначных цифр, сравнивая его с экспериментами на уровне, недостижимом в любой другой области науки.

Но в конечном счете Фейнман разочаровался в том, чего достиг – на Нобелевской лекции 1965 года он сказал: «Я думаю, что перенормировка теории – это просто способ замести трудности расхождения электродинамики под ковер». Ученый полагал, что ни одна разумная законченная теория не должна приводить к бесконечностям и что математические приемы, разработанные им и соавторами, в конечном счете, окажутся своего рода ляпом.

Однако сейчас мы воспринимаем вещи по-другому. Опасения Фейнмана были, в некотором смысле, неуместны. Проблема заключалась не в самой теории, а в попытке протолкнуть теорию за пределы тех масштабов, в которых она корректно описывает природу.

Причина того, что бесконечности, производимые виртуальными частицами с произвольно большими массами и энергиями, не физичны, заключает в том, что они основаны на ошибочном предположении, что теория завершена. Или иными словами, что теория описывает физику на всех возможных масштабах, даже на произвольно малых расстояниях и промежутках времени. Но если мы ожидаем полноты наших теорий, то прежде чем у нас появится теория чего-либо, у нас должна появиться теория всего – теория, включающая эффекты всех элементарных частиц, которые мы уже открыли, а также всех частиц, которые мы еще не открыли! В лучшем случае это непрактично, в худшем – невозможно.

Таким образом, теории, имеющие смысл, должны быть невосприимчивы, на масштабах, доступных нам в лаборатории, к эффектам возможной новой физики на более мелких масштабах. Это не просто практическое решение временной проблемы, от которой мы хотим избавиться по мере появления лучшего описания природы. Так как наше эмпирическое знание, скорее всего, всегда будет частично неполным, то теории, которым удаётся объяснить ту часть вселенной, которая доступна для исследований, неизбежно будут невосприимчивы к возможной новой физики за пределами достигнутых масштабов. Это отличительная черта нашей современной эпистемологии и то, что мы недооценивали пока не начали изучать экстремальные масштабы, при которых квантовая механика и теория относительности одинаково важны.

Это имеет отношение даже к наилучшей физической теории, существующей в природе: квантовой электродинамике, характеризующей квантовые взаимодействия между электронами и светом. Если следовать Фейнману, причина, по которой мы можем раз и навсегда отказаться от бесконечностей, возникающих в теории, заключается в том, что они искусственны. Они соответствуют экстраполяции теории в области, в которых она бессильна.

Фейнман зря разочаровался в собственном открытии, как обойти бесконечности. Даже сегодня, спустя полвека, теория, работающая на масштабах, при которых не работает квантовая электродинамика, сама будет неверна на еще меньших масштабах.

Существует альтернативное толкование истории о масштабе в физической теории. Вместо законного разделения теорий на отдельные области, за пределами которых они не эффективны, аргументы масштабирования выявили скрытые взаимосвязи между теориями и указали направление к новым единым теориям, которые охватывают оригинальные теории и используются в более широком диапазоне.

Например, шумиха в течение последних лет по поводу открытия частицы Хиггса возникла в связи с тем, что это было последнее недостающее звено в теории, объединяющей квантовую электродинамику с другой силой, называемой слабым взаимодействием. Это две из четырех известных сил в природе и, на первый взгляд, они очень разные. Но теперь мы понимаем, что на малых масштабах и при очень высоких энергиях эти две силы могут быть описаны как разные проявления одной и той же фундаментальной силы, называемой электрослабой.

Масштаб также побудил физиков объединить еще одну движущую силу природы, называемую сильным ядерным взаимодействием, в более общую теорию.

Cильное ядерное взаимодействие, которое объединяет кварки, не поддавалось пониманию до 1973 года. В тот год три теоретика, Давид Гросс, Франк Вильчек и Давид Политцер, продемонстрировали нечто абсолютно неожиданное и значимое. Они показали, что теория, претендующая на описание этой силы и известная под названием квантовой хромодинамики – по аналогии с квантовой электродинамикой, – обладала свойством, именуемым «Асимптотической свободой».

Асимптотическая свобода – это физический эффект, возникающий в некоторой калибровочной теории, в которой взаимодействие между частицами, такими как кварки, становится сколь угодно малым при уменьшении расстояния между частицами. Это объясняет не только экспериментальное явление, известное как «масштабирование» – при котором кварки внутри протонов ведут себя так, как будто являются независимыми и невзаимодействующими частицами при высоких энергиях и а малых расстояниях – но и также дает возможность объяснить, почему в природе не наблюдаются свободные кварки. Если сильное взаимодействие ослабевает на маленьких расстояниях, то, вероятно, оно должно стать сильнее на больших расстояниях, чтобы гарантировать, что свободные кварки никогда не покинут своих партнеров.

Обнаружение того, что сильное взаимодействие ослабевает на маленьких расстояниях, в то время как электромагнетизм, объединяющийся со слабой силой на малых расстояниях, усиливается, побудило теоретиков в 1970-х годах предположить, что в рамках достаточно малых масштабов все три взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное) объединяются в одно взаимодействие в теории, известной как Теория великого объединения.

Последние сорок лет мы искали доказательства этого – на самом деле, Большой адронный коллайдер как раз находится в поиске целого ряда новых элементарных частиц, которые с необходимостью должны существовать, если три взаимодействия действительно имеют единую природу. Но пока у нас есть лишь косвенные доказательства. Явных улик до сих пор не найдено.

Естественно, усилия по объединению трех из четырех известных сил привели к дальнейшим усилиям по включению четвертой силы — силы тяготения — в эту смесь. С этой целью были сделаны предположения, что гравитация сама по себе является лишь эффективной теорией и на достаточно малых масштабах она сливается с другими силами — но только если существует множество дополнительных пространственных измерений в природе, которые мы не наблюдаем. Данная теория, часто именуемая теорией суперструн, вызвала большой ажиотаж среди теоретиков 1980-х и 1990-х годов, но и по сей день отсутствуют доказательства того, что она описывает вселенную, в которой мы живем.

Если доказательства этого будут найдены, то теория суперструн может вообще не привести к бесконечностям. Таким образом, она обладает потенциалом применения в любых областях – не важно, насколько малы они окажутся. По этой причине некоторым она известна под названием «теории всего» – хотя область проявления всей экзотики данной теории настолько мала, что она может быть физически неактуальна в отношении обозримых экспериментальных измерений.

Признание зависимости нашего понимания физической реальности от доступных нам масштабов привело нас со временем к предложенной теории – теории струн – для которой данное ограничение перестает действовать. Является ли это усилие отражением неуместной смелости физиков-теоретиков, привыкших к успеху после удачного постижения действительности во все меньших масштабах?

До сих пор нет ни одного примера, в котором экстраполяция, будучи настолько великой, как та, которая ассоциируется с теорией струн и не основана на прямых результатах экспериментов и наблюдений, могла бы дать успешную модель природы. Более того, чем больше мы изучаем теорию струн, тем она становится сложнее, и многие предыдущие ожидания относительно ее универсальности, возможно, были чересчур оптимистичны.

Не менее вероятна возможность того, что природа похожа на лук с огромным количеством слоев, как предположил Фейнман. По мере очистки каждого слоя мы обнаруживаем, что наши замечательные теории могут вписаться в новые и более широкие рамки. Таким образом, всегда можно создать новую теорию, и она никогда не будет окончательной, универсальной и применимой на любых временных и пространственных масштабах без изменений.

Какой путь является реальной дорогой к описанию действительности? Если бы нам был известен истинный путь к открытию, то это не было бы открытием. Возможно, мои собственные пристрастия как раз и основаны на потерянной надежде продолжать работу на благо физики! Но также мне нравится то, что всегда будут существовать загадки, которые можно разгадать. Так как жизнь без тайны в любой области может слишком наскучить.

Автор: Лоуренс Краусс
Источник: Naultilus

Схожі публікації