Теория струн существует уже больше сорока лет — и за всё это время не дала ни одного предсказания, которое можно было бы проверить в реальном эксперименте, а это, согласитесь, весьма неплохой результат для науки, которая претендует на звание «теории всего».
Сорок лет разговоров о верёвочках
Давайте сразу расставим точки над «ё»: речь идёт не о нитках и не о верёвках, хотя с точки зрения медиаобраза — очень хотелось бы. Теория струн возникла в конце 1960-х как попытка описать сильное ядерное взаимодействие, а потом, как водится, вышла из-под контроля и принялась объяснять вообще всё — от гравитации до смысла существования. Примерно как студент, пришедший помочь с одним экзаменом и оставшийся жить в вашей квартире на десять лет.
В 1984 году грянула так называемая первая суперструнная революция: физики Джон Шварц и Майкл Грин показали, что теория может быть внутренне непротиворечивой и даже включать в себя гравитацию. Физическое сообщество сошло с ума от восторга. Сотни блестящих умов бросили всё и ринулись разрабатывать математический аппарат, который обещал объединить квантовую механику и общую теорию относительности — две великие теории XX века, категорически отказывающиеся уживаться друг с другом. Это была эпоха эйфории, академического романтизма и грантовых потоков, текущих рекой.
Прошло четыре десятилетия. Романтика чуть поутихла.
Так что же такое эта струна, если уж честно
Базовая идея на удивление элегантна: все элементарные частицы — не точечные объекты, как учит стандартная квантовая теория поля, а крошечные одномерные объекты, те самые «струны», чьи различные режимы вибрации порождают разные частицы. Электрон — это одна мода колебания, кварк — другая, гипотетический гравитон — третья. Красиво, как симфония. Математически — сказочно сложно.
Но вот незадача: чтобы теория была внутренне согласованной, ей требуется не три пространственных измерения и одно временное, как у нас в будничной реальности, а десять или даже двадцать шесть измерений в зависимости от версии. Лишние измерения «свёрнуты» в крошечных геометрических структурах, именуемых многообразиями Калаби–Яу, — объектах такой изощрённой топологии, что их изучение превратилось в отдельную отрасль математики. Хорошо хоть не в религию. Пока.
Число различных вакуумных состояний теории — то есть различных способов свернуть эти измерения — оценивается в астрономическую цифру: 10500. Это не опечатка. Это ландшафт теории струн: чудовищный зоопарк возможных вселенных с разными физическими константами, разными законами и разным количеством скуки на выходные. Наша Вселенная — лишь одна точка в этом пространстве. Найти её — задача, мягко говоря, нетривиальная. Что-то вроде поиска конкретной песчинки на всех пляжах Земли, не выходя из кабинета.
Карл Поппер смотрит с нескрываемым укором
Великий философ науки Карл Поппер завещал нам простой критерий: научная теория должна быть фальсифицируемой — то есть должны существовать возможные наблюдения или эксперименты, которые в принципе могли бы её опровергнуть. Это не мелкая бюрократическая придирка. Это основа основ. Астрология не наука не потому, что она «неприличная», а потому, что любой гороскоп можно подогнать под любой результат постфактум.
Теория струн с этим критерием — в весьма натянутых отношениях. Самые прямые её предсказания требуют энергий порядка планковской шкалы: около 10^19 ГэВ. Для справки: Большой адронный коллайдер в Женеве работает при энергиях порядка 104 ГэВ. Разрыв — пятнадцать порядков величины. Чтобы дотянуться до планковских энергий, ускоритель должен быть размером с галактику. Запрос в Еврокомиссию на финансирование такого проекта пока не подавался.
Критики — и среди них вполне серьёзные учёные, как физик Ли Смолин или математик Питер Войт — задают резонный вопрос: если теория не предсказывает ничего доступного эксперименту, является ли она вообще физикой или это очень дорогостоящая ветвь математики с красивым пресс-релизом? Войт даже назвал одну свою книгу «Не то что неправильно» — тонкий укол в адрес теории, которую нельзя назвать ни верной, ни ложной.
Адвокаты красоты — что отвечают защитники
Было бы нечестно изображать сторонников теории струн наивными романтиками, влюблёнными в уравнения ради уравнений. Среди них — лауреаты Нобелевской премии и люди с немалым интеллектуальным весом. Их аргументы заслуживают внимания, даже если принимать их с оговорками.
Первый аргумент — математическая плодотворность. Теория струн породила колоссальный объём глубокой математики: зеркальная симметрия, голографический принцип, соответствие АдС/КТП. Последнее — связь между гравитацией в пространстве-времени и квантовой теорией на его границе — оказалось неожиданно полезным инструментом для расчётов в ядерной физике и физике конденсированного состояния. Математика работает, даже если физические основания туманны. Примерно как таблица умножения верна независимо от того, во что вы верите.
Второй аргумент — уникальность подхода. Теория струн остаётся единственным математически связным кандидатом на квантовую теорию гравитации. Конкурент — петлевая квантовая гравитация — тоже страдает отсутствием тестируемых предсказаний и вдобавок не включает материю естественным образом. Выбор между двумя нефальсифицируемыми теориями — это уже совсем экзистенциальная драма.
Когда физика начинает напоминать секту
Вот тут начинается по-настоящему щекотливая территория. Ли Смолин в своей книге «Беда с физикой» описал социологический феномен: теория струн настолько захватила академию, что на протяжении двух десятилетий учёные, работавшие в альтернативных областях, с трудом получали постоянные позиции в ведущих университетах. Физика — наука, формально основанная на скептицизме — породила собственную ортодоксию.
Молодые физики знали: хочешь гранты, хочешь карьеру — работай в струнах. Не потому что это наверняка верно, а потому что там деньги, там конференции, там журналы. Социология науки — штука куда более грубая, чем её идеализированный образ. Учёные — тоже люди, со своими стайными инстинктами и карьерными страхами. Мертон писал об этом в середине XX века, но люди предпочитают думать, что истина всегда побеждает независимо от академической иерархии. Это трогательно и почти никогда не соответствует действительности.
И вот что показательно: когда в 2016 году Большой адронный коллайдер не обнаружил суперсимметричных частиц — ключевого предсказания суперсимметрии, на которой строится значительная часть теории струн, — реакция сообщества была не «ну что ж, теория ошиблась», а «значит, нужен коллайдер помощнее». Это называется не научный метод. Это называется условный рефлекс.
Что будет дальше — и есть ли вообще выход
Некоторые физики возлагают надежды на космологические наблюдения: сигнатуры первичных гравитационных волн в реликтовом излучении теоретически могли бы дать косвенные намёки на инфляционные модели, совместимые или несовместимые со струнным ландшафтом. Это не прямая проверка, но хоть что-то. Другое направление — квантовая информация и голографические идеи: соответствие АдС/КТП проверяется косвенно через расчёты в квантовых системах, доступных в лаборатории. Медленно, но честнее.
Есть и радикальный сценарий: быть может, сама постановка вопроса «верна ли теория струн» — ложная дихотомия. Возможно, квантовая гравитация требует принципиально новых концептуальных инструментов, которых у нас пока нет, и теория струн — лишь промежуточная математическая ступенька, а не конечная станция. Так ньютоновская механика была не «ложной» — она была приближением, работающим в определённом режиме. Физика привыкла к таким переосмыслениям. Другое дело — сорок лет без единого экспериментального контакта с реальностью кажутся чуть дольше, чем «промежуточная ступенька».
Вместо приговора
Теория струн — это интеллектуальный Эверест: захватывает дух, требует нечеловеческих усилий и, вполне возможно, никогда не приведёт туда, куда обещала. Она честна в своей нечестности: никто из серьёзных исследователей не утверждает, что теория проверена — они утверждают, что она красива и внутренне непротиворечива. Но наука — это не конкурс красоты. Наука — это диалог с реальностью через эксперимент, и в этом диалоге теория струн пока демонстрирует поразительную односторонность.
Если следующие двадцать лет принесут хоть один верифицируемый экспериментальный результат, совместимый именно с предсказаниями теории, — это будет величайшим триумфом теоретической физики. Если нет — придётся честно спросить себя: не стали ли мы свидетелями того, как целое поколение блестящих умов потратило карьеры на разработку математики параллельной вселенной, которой не существует? И тогда самым важным уроком этой истории окажется не физика, а эпистемология: то, как сообщество производит, оценивает и хоронит знание — или отказывается его хоронить, когда это неудобно.
Может, именно это и есть главная теорема теории струн: о природе не частиц, а людей, которые их изучают.