Физик-теоретик Джозеф Полчинскийиз Калифорнийского университета в Санта-Барбаре спрогнозировал год завершения создания квантовой теории гравитации. По мнению ученого, это произойдет в 2131 году, а в основу ляжет теория струн, которую подавляющее большинство современных физиков и математиков признают единственным кандидатом на роль «теории всего». Свои соображения Полчинский — лауреатFundamental Physics Prize, учрежденной российским предпринимателем Юрием Мильнером, изложилв препринте на сайте arXiv.org.
В процессе развития физики исследовали все меньшие масштабы расстояний и все большие масштабы энергий. В начале XX века ученые получили первые представления о явлениях, происходящих на атомных масштабах. К настоящему времени физикам доступны масштабы десять в минус семнадцатой степени сантиметров, отвечающие экспериментам на Большом адронном коллайдере, позволившем открыть бозон Хиггса. Сопоставляя этапы и темпы развития физики в XX и начале XXI веков, Полчинский спрогнозировал, что к 2131 году будет окончательно сформулирована квантовая теория гравитации. Для этого ученый рассмотрел эволюцию физики за последние сто с лишним лет и сопоставил достижения человечеством тех или иных масштабов энергий со временем этого события.
В 1899 году немецкий физик Макс Планк ввел в рассмотрение длину, названную его именем, составленную из фундаментальных констант (постоянной Планка, гравитационной постоянной и скорости света в вакууме) и равную десяти в минус тридцать третьей степени сантиметров. В настоящее время эта величина считается недостижимым для современных экспериментов масштабом, на котором действует теория струн. Масштабу десять в минус семнадцатой степени сантиметров на логарифмической шкале отвечает середина расстояния. Соответственно, до создания «теории всего» осталось столько же времени, сколько прошло с момента введения планковской длины в науку — 116 лет.
Малость планковской длины позволяет, по мнению Полчинского, обеспечить необходимое «размазывание» взаимодействий, объясняющее неперенормируемость (невозможность устранения расходимостей) теории гравитации. Так, СМ и описываемые ею три фундаментальных взаимодействия (электромагнитное, слабое и сильное) являются перенормируемыми, тогда как версия квантовой гравитации, получаемая наивным квантованием (то есть по тому же рецепту, что и классическая теория поля), уже во втором порядке теории возмущенийоказывается расходящейся.
По мнению Полчинского, на планковских масштабах становятся существенными флуктуации пространства-времени. Они формируют так называемую пространственно-временную пену и обеспечивают наблюдаемую расходимость наивной версии квантовой гравитации. В качестве исторического примера ученый приводит теорию Энрико Ферми, которая качественно хорошо описывала слабое взаимодействие, однако была неперенормируемой.
Только после того как Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом была созданаперенормируемая электрослабая теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия и вводящая промежуточные электрослабые бозоны, стало ясно, что теория Ферми является низкоэнергетическим приближением другой, более общей модели (в данном случае — электрослабой). Полчинский полагает, что с квантовой гравитацией будет то же самое.
Уникальность динамики теории струн Полчинский связывает с наличием только одного параметра, необходимого для описания природы — так называемой струнной константы. Между тем, по мнению ученого, в настоящее время «теория всего» не имеет какого-либо единообразного принципа (первопринципа), позволяющего ее вывести дедуктивным способом. Для ОТО такое первоначало есть: принцип локальной эквивалентности между гравитационным полем и движением с ускорением. Классический пример этого начала связан с лифтом. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
В своей статье Полчинский упоминает о важности квантовых флуктуаций для решения уравнений теории струн. Несмотря на то что современные уравнения квантовой теории поля и ОТО хорошо описывают наблюдаемый мир на доступных экспериментальных масштабах, они допускают модификацию, не противоречащую первопринципам этих теорий. Между тем это приводит к ненаблюдаемым на сегодняшний день эффектам, которые являются существенными на планковском масштабе.
К таким модификациям Полчинский относит введение в уравнения квантовой теории поля слагаемых с высшими производными (в настоящее время там присутствуют только квадратичные члены с первыми производными полей) и добавление к уравнениям Эйнштейна в ОТО квадратичных по кривизне пространства-времени слагаемых. Эти добавки приводят к необходимости учета флуктуации пространственно-временной пены, существующей, согласно предсказаниям теории струн, на планковских масштабах.
Роль пространства для теории струн Полчинский объясняет на примере зеркальной симметрии, которая допускает существование различных многообразий Эудженио Калабии Шинтана Яу, которые, будучи компактифицированными (свернутыми в чрезвычайно малые дополнительные пространственные измерения) из различных пространств, могут приводить к одним и тем же свойствам элементарных частиц. Это (вместе с потенциальной возможностью существования дополнительных пространственных измерений) позволяет предположить, что наблюдаемая физика является проявлением многомерной геометрии пространства-времени и его структуры на планковских масштабах.
Дуальность калибровочных теорий и квантовой гравитации, понимаемая как голография, позволит, по Полчинскому, описать физику частиц и тяготение единообразным способом. Голографический принцип, предложенныйв 1993 году нидерландским физиком Герардом т'Хоофтом, утверждает, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе (балке): представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из голограмм, имеющих меньшую размерность.
Применительно к теории струн принцип воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указаламериканский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена. В этой гипотезе эквивалентность описания физики в специальных пространствах приводит к существованию между их параметрами однозначных связей — дуальностей. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой.
Прогресс в понимании физики черных дыр Полчинский связывает с тем, что в 1996 году в рамках теории струн Эндрю Строминджери Кумрун Вафапродемонстрироваливывод выражения для энтропии черных дыр, впервые полученноетермодинамическим способом израильским физиком Якобом Бекенштейномв 1973 году. Их вывод указывает на то, что при испарении черных дыр сохраняется унитарность квантовой механики (связанная с непротиворечивой интерпретацией вероятности), что ранее подвергалось сомнениюбританским ученым Стивеном Хокингом.
Произвол в значениях наблюдаемых фундаментальных констант, по мнению Полчинского, хотя и является серьезной трудностью «теории всего», тем не менее может прояснить некоторые универсальные особенности природы (в частности, существование Мультивселенной). В качестве главного признака, теоретически указывающего на существование параллельных миров, ученый назвал ненулевое значение космологической постоянной(лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна). По мнению ученого, подавляющее большинство теорий струн включают в себя Мультивселенную. В этих же моделях присутствуют ненулевая космологическая постоянная. То есть, согласно Полчинскому, одно без другого быть не может. Более того, применив байесовский вывод, физик оценил вероятность существования Мультивселенной в 94 процента (этому отвечает статистическая значимостьв два стандартных отклонения).
«Вы можете не согласиться с моими 94 процентами оценки, но нет никакого рационального аргумента в пользу того, что Мультивселенная не существует, или того, что это маловероятно», — пишет Полчинский. Ученый оптимистично настроен в отношении перспектив формулировки квантовой гравитации (в рамках теории струн), продолжает работать в этом направлении и не исключает, что построение «теории всего» завершится досрочно — раньше спрогнозированного им 2131 года.