Мечта о единой теории всего — это самый грандиозный самообман в истории науки, и пора наконец признать, что король голый.
Вот уже столетие лучшие умы планеты бьются над задачей, которая, возможно, не имеет решения в принципе. Они строят коллайдеры размером с небольшие государства, исписывают горы бумаги математическими формулами такой сложности, что их понимают от силы пара сотен человек на всей Земле, получают Нобелевские премии и гранты на миллиарды долларов. И всё ради чего? Ради красивой идеи о том, что где-то там, в глубинах реальности, все четыре фундаментальные силы природы — электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие и гравитация — сливаются в единую первосилу, этакий физический Абсолют.
Звучит поэтично, не правда ли? Почти религиозно. И в этом-то вся проблема.
Наука превратила объединение сил в символ веры, в догму, которую нельзя подвергать сомнению. Любой, кто осмелится заикнуться о том, что гравитация, быть может, просто иная по своей природе, рискует прослыть еретиком и маргиналом. Между тем факты — упрямая вещь, и они всё громче кричат нам: гравитация качественно, онтологически, фундаментально отличается от остальных сил. Она не просто «сложнее» или «слабее» — она из другого теста. И попытки впихнуть её в прокрустово ложе квантовой теории поля обречены на провал.
Давайте разберёмся, почему.
Три силы, которые нашли общий язык
Надо отдать должное — три из четырёх фундаментальных взаимодействий действительно удалось подружить между собой, и это было одним из величайших триумфов физики XX века.
Электромагнетизм — сила, которая держит атомы вместе, заставляет светить лампочки и позволяет вам читать этот текст на экране — оказался родственником слабого взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад. В 1960-х годах Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг показали, что при достаточно высоких энергиях эти две силы становятся неразличимы. Они сливаются в единое электрослабое взаимодействие, переносимое четырьмя частицами-посредниками: фотоном и тремя тяжёлыми бозонами — W⁺, W⁻ и Z⁰.
Более того, есть все основания полагать, что при ещё более экстремальных условиях к этой компании присоединяется и сильное взаимодействие — та самая сила, что склеивает кварки в протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны — в атомные ядра. Так называемые теории Великого объединения предсказывают, что где-то на энергетических масштабах порядка 10¹⁶ гигаэлектронвольт (это примерно в триллион раз больше, чем способен выдать Большой адронный коллайдер) три силы становятся одной.
Красота этих теорий в том, что все три взаимодействия описываются одним и тем же математическим языком — языком калибровочных симметрий. Частицы-переносчики сил — фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны — все они являются калибровочными бозонами, квантами соответствующих полей. Они живут в плоском пространстве-времени, подчиняются правилам квантовой механики и прекрасно вписываются в рамки релятивистской квантовой теории поля.
А теперь — барабанная дробь — выходит на сцену гравитация.
Гравитация — изгой физического мира
И вот тут начинается самое интересное. Гравитация — это не просто четвёртая сила в очереди на объединение. Это принципиально иной зверь, притворяющийся силой.
Когда Эйнштейн в 1915 году сформулировал общую теорию относительности, он совершил концептуальную революцию, масштаб которой мы до сих пор не вполне осознаём. Он показал, что гравитация — это вообще не сила в привычном смысле слова. Это геометрия. Это сама структура пространства-времени, изогнутая присутствием массы и энергии.
Вдумайтесь: электромагнитное поле — это нечто, существующее в пространстве. Глюонное поле — тоже. Поля слабого взаимодействия — аналогично. Все они являются сущностями, обитающими на сцене пространства-времени.
А гравитационное «поле»? Оно и есть сама сцена.
Это не метафора. Это буквальная истина, записанная в уравнениях Эйнштейна. Метрика пространства-времени — математический объект, определяющий расстояния и углы — одновременно является и гравитационным полем. Планеты движутся по орбитам не потому, что их «тянет» какая-то сила, а потому, что они следуют кратчайшим путям — геодезическим — в искривлённом пространстве-времени. Яблоко падает на землю не потому, что Земля его притягивает, а потому, что Земля искривляет пространство-время вокруг себя, и яблоко просто катится в эту геометрическую яму.
Чувствуете разницу? Три силы — это актёры на сцене. Гравитация — это режиссёр, который одновременно является и самой сценой, и зрительным залом, и театром целиком.
Как прикажете квантовать саму сцену?
Геометрия против квантовых полей
Квантовая теория поля — это язык, на котором написана физика элементарных частиц. Это невероятно успешный формализм, позволяющий с безумной точностью предсказывать результаты экспериментов. Аномальный магнитный момент электрона, например, теоретически вычислен с точностью до двенадцатого знака после запятой — и совпадает с экспериментом.
Но вся эта машина работает только при одном фундаментальном допущении: пространство-время фиксировано и задано заранее. Поля — электромагнитное, глюонное, прочие — определены на этом фиксированном фоне. Они квантуются, флуктуируют, рождают и уничтожают частицы, но сам фон остаётся классическим, спокойным, невозмутимым.
Теперь представьте, что вам нужно проделать тот же трюк с гравитацией. Вам нужно квантовать само пространство-время. Но подождите — чтобы определить квантовое поле, нужен фон, на котором оно живёт. А гравитационное поле и есть этот фон. Получается логический круг: чтобы квантовать гравитацию, нужен фон; но фон сам должен быть квантован; но для квантования нужен фон...
Это как пытаться поднять себя за волосы, только в математической форме.
Физики, конечно, не сдаются. Они изобретают изощрённые методы: фоново-независимые подходы, петлевую квантовую гравитацию, разнообразные ухищрения. Но проблема остаётся: квантовая механика и общая теория относительности говорят на разных языках. Квантовая механика требует внешнего времени, по которому происходит эволюция волновой функции. Общая относительность говорит, что время — часть динамической структуры, которую нельзя фиксировать извне.
Это не технические трудности. Это концептуальные противоречия.
Бесконечности, от которых не избавиться
Допустим, вы всё-таки решили квантовать гравитацию «в лоб», наплевав на концептуальные проблемы. Берёте метрику пространства-времени, раскладываете её на классический фон плюс малые возмущения, квантуете эти возмущения. Получаете гравитоны — гипотетические частицы-переносчики гравитационного взаимодействия, аналоги фотонов.
И тут вас накрывает цунами бесконечностей.
В обычных квантовых теориях — электродинамике, хромодинамике — бесконечности тоже возникают при вычислениях. Но их можно «спрятать» с помощью хитрой процедуры под названием ренормализация. Грубо говоря, вы переопределяете массы и заряды частиц так, чтобы бесконечности взаимно сократились. Это математически строго и даёт конечные, проверяемые предсказания.
С гравитацией этот номер не проходит. Бесконечности, возникающие при квантовании гравитации, неренормализуемы. На каждом новом уровне приближения появляются новые типы расходимостей, которые нельзя убрать переопределением конечного числа параметров. Теория требует бесконечного числа подгоночных констант, которые надо определить из эксперимента. А это значит, что теория не имеет предсказательной силы.
Почему так происходит? Одна из причин — размерность гравитационной постоянной. В системе единиц, где скорость света и постоянная Планка равны единице, гравитационная постоянная имеет отрицательную массовую размерность. Это техническая деталь, но она имеет катастрофические последствия: взаимодействие усиливается на малых расстояниях вместо того, чтобы ослабевать. И никакие математические уловки не могут это исправить.
Гравитация буквально ломает стандартную машину квантовой теории поля.
Струны, петли и прочие фантазии
«Но постойте! — воскликнет просвещённый читатель. — А как же теория струн? Она же всё решает!»
Ах, теория струн. Этот вечный подросток теоретической физики, которому уже полвека, но он всё никак не повзрослеет.
Да, теория струн действительно предлагает красивую идею: заменить точечные частицы крошечными колеблющимися струнами. И да, в этой теории гравитон возникает естественным образом как одна из мод колебания замкнутой струны. И да, бесконечности каким-то чудом становятся ручными.
Но есть нюанс. Точнее, несколько нюансов размером со слона.
Во-первых, теория требует дополнительных пространственных измерений — шести или семи, в зависимости от версии. Эти измерения якобы «свёрнуты» в такие крошечные масштабы, что мы их не видим. Удобно, правда? Нельзя опровергнуть то, что нельзя наблюдать.
Во-вторых, существует не одна теория струн, а астрономическое множество её вариантов — так называемый ландшафт, насчитывающий порядка 10⁵⁰⁰ различных вакуумов. Какой из них соответствует нашей Вселенной? Неизвестно. Можно ли это выяснить? Не факт.
В-третьих, и это главное: за полвека развития теория струн не дала ни одного экспериментально проверяемого предсказания. Ни одного. Это уже не физика — это математическое богословие.
Петлевая квантовая гравитация — альтернативный подход — честнее в своих амбициях, но тоже буксует. Она квантует саму геометрию пространства, представляя его как сеть дискретных «атомов пространства». Красиво, концептуально чисто, но пока непонятно, как из этой дискретной структуры восстановить гладкое пространство-время, которое мы наблюдаем.
Истина в том, что все попытки квантовать гравитацию за последние полвека не привели к успеху. Может, пора признать, что мы копаем не в ту сторону?
Смирение перед фундаментальной инаковостью
Вот мы и подошли к самому крамольному выводу, который можно сделать из всего сказанного.
Что если гравитация и не должна объединяться с другими силами? Что если само требование объединения — это проекция нашей эстетической предвзятости на структуру реальности? Мы хотим, чтобы мир был прост и элегантен. Мы хотим, чтобы всё сводилось к единой формуле, которую можно напечатать на футболке. Но Вселенная не обязана соответствовать нашим эстетическим запросам.
Возможно, гравитация — это не четвёртая сила, которую нужно впихнуть в общую схему. Возможно, это нечто иное по своей онтологической природе. Пространство-время — не арена, на которой разворачивается физика, а сам способ существования материи. И попытки квантовать его так же бессмысленны, как попытки квантовать число «три» или понятие «справедливость».
Три силы — электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия — это флуктуации полей в пространстве-времени. Гравитация — это флуктуации самого пространства-времени. Разница не количественная, а качественная. Категориальная.
Это не значит, что физикам нужно опустить руки и пойти выращивать капусту. Исследования продолжаются, и они дают ценные результаты — даже если главный результат окажется отрицательным. Иногда понять, чего нельзя сделать, важнее, чем совершить очередной прорыв.
Но пора бы уже честно признать: Теория Всего в том виде, как её представляли отцы-основатели — единая формула, объясняющая всё сущее, — это, скорее всего, мираж. Красивый, манящий, вдохновляющий — но мираж. Гравитация останется особенной. Она не присоединится к дружной компании калибровочных взаимодействий. Она не станет «ещё одной силой».
Она — нечто иное. И в этой инаковости, быть может, скрыта более глубокая истина о природе реальности, чем во всех наших красивых теориях объединения.
Осталось только набраться мужества это признать.