Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Ничто не заменит ученым реальных экспериментальных результатов. Мы, физики, не сидели сложа руки последние 25 лет в ожидании пуска БАКа и появления надежных данных. Мы тщательнейшим образом обдумывали, что именно следует искать в экспериментах и что должны означать те или иные результаты. Мы также изучали данные экспериментов, проводившихся в этот период, и сумели узнать немало интересных подробностей об известных частицах и взаимодействиях, что помогало определиться с направлением основных исследований.

Этот период дал нам прекрасную возможность углубленно поразмышлять о вещах, не связанных напрямую с экспериментом. Самые интересные и смелые модели и теоретические прогнозы этого периода стали следствием углубленных математических исследований. Сомневаюсь, что мне, к примеру, пришло бы в голову заняться дополнительными измерениями или чисто математическими аспектами суперсимметрии, если бы экспериментальных данных было достаточно. Даже если бы измерения показали, что эти идеи верны, то без предварительной очень серьезной математической работы в их следствиях пришлось бы разбираться довольно долго.

И эксперименты, и математика способствуют развитию науки. Но дорога прогресса редко бывает простой и понятной, и физики по–разному смотрят на то, какая стратегия исследований является наилучшей. Авторы моделей используют подход «снизу вверх», представленный в главе 15; они начинают с известных фактов (выясненных в ходе экспериментов), а затем обращаются к оставшимся загадкам и особенностям, не нашедшим объяснения. При этом они часто и активно используют теоретические математические построения. В предыдущей главе мы познакомились с некоторыми примерами моделей и поговорили о том, как характер модели влияет на поиск, который будут проводить на БАКе экспериментаторы.

Другие, в особенности специалисты по теории струн, применяют подход «сверху вниз»: они начинают с теории, которую считают верной, — в данном случае с теории струн — и пытаются при помощи заложенных в нее принципов сформулировать непротиворечивую квантовую теорию гравитации. Теории, основанные на таком подходе, определены на высоких энергиях и малых расстояниях, и само название подхода является отсылкой к теоретическому утверждению о том, что все можно вывести из фундаментальных принципов, определенных на масштабе высоких энергий. Конечно, с названием можно запутаться — ведь высокие энергии соответствуют малым расстояниям, — но не стоит забывать, что объекты, действующие на малых расстояниях, представляют собой фундаментальный строительный материал любого вещества. При таком подходе все можно вывести из базовых принципов и фундаментальных факторов, которые определяются на малых расстояниях и высоких энергиях, — отсюда и название «сверху вниз».

В этой главе мы поговорим о подходах «снизу вверх» и «сверху вниз» и о том, чем они отличаются друг от друга. Мы попробуем разобраться в их различиях, но подумаем и о том, как они иногда сливаются, рождая замечательные идеи.

ТЕОРИЯ СТРУН

В отличие от авторов моделей, физики–теоретики с большей склонностью к математике пытаются работать, отталкиваясь от чистой теории. Каждый из нас надеется начать с единственной элегантной теории; лишь разобрав по косточкам все ее последствия, еле- дует попытаться применить полученные закономерности к экспериментальным данным. Почти любая попытка создания единой теории воплощает в себе такой подход, и теория струн здесь не исключение; это, возможно, самый показательный пример. Это попытка при помощи чисто теоретических рассуждений вывести наиболее фундаментальные принципы, из которых в принципе следуют все известные физические явления.

Специалисты по теории струн делают громадный скачок, перепрыгивая по физической шкале сразу от масштаба слабого взаимодействия к планковскому масштабу, при котором гравитация становится сильной. Маловероятно, что в обозримом будущем эти идеи удастся непосредственно проверить в эксперименте (хотя многомерные модели, описанные в предыдущей главе, могут стать приятным исключением). Но, несмотря на то что саму теорию струн проверить очень сложно, ее элементы порождают в умах теоретиков мысли и концепции, которые вполне могут войти в потенциально наблюдаемые модели.