Идеи с границы познания. Эйнштейн, Гёдель и философия науки

Стандартная модель сложилась к середине семидесятых и с тех пор всерьез не пересматривалась. (Окончательное триумфальное подтверждение она получила в 2012 году, когда благодаря Большому адронному коллайдеру в ЦЕРНе, в Европейском центре экспериментальной физики, был открыт бозон Хиггса, последняя недостающая деталь.) Стандартная модель говорит нам, как ведет себя природа на масштабе молекул, атомов, электронов и еще меньше, до таких маленьких масштабов, где гравитация настолько слаба, что ею можно пренебречь. Общая теория относительности учит нас, как природа ведет себя на масштабах яблок, планет, галактик и еще больше – там, где квантовые неопределенности усредняются, и их можно не учитывать. Казалось бы, эти теории совместно покрывают все природные явления. Но большинству физиков такое разделение труда не нравится. Ведь в природе все взаимодействует со всем. А значит, должен существовать единый набор законов, который бы все описывал, а не два несовместимых набора. И что будет, если области применимости двух теорий перекроются – в случае, если очень массивное тело окажется очень маленьким? Например, сразу после Большого взрыва вся масса нынешней наблюдаемой Вселенной была упакована в размер ядра атома. На таком крошечном масштабе квантовая неопределенность разбивает гладкую геометрию общей теории относительности, и невозможно предсказать, как поведет себя гравитация. Чтобы понять, как родилась Вселенная, нам нужна теория, которая «объединит» общую теорию относительности и квантовую механику. Это мечта каждого физика-теоретика.

Теория струн родилась случайно. В конце шестидесятых пара юных физиков продиралась сквозь дебри учебников по математике и натолкнулась на многовековой давности формулу – бета-функцию Эйлера, которая чудесным образом соответствовала последним экспериментальным данным по физике элементарных частиц. Поначалу никто понятия не имел, как так получается. Однако прошло несколько лет, и выяснилось, в чем скрытое значение формулы: если представлять себе элементарные частицы как тоненькие вибрирующие струны, все обретает смысл. Из чего же тогда состоят эти струны? На самом деле из ничего. Как выразился один физик, их надо считать «крошечными одномерными разрывами в гладкой ткани пространства».

Новая теория расходилась с прежними представлениями не только в этом. Мы считаем, что живем в мире, где три пространственных измерения (и одно временное). Но чтобы теория струн обрела математический смысл, мир должен иметь девять пространственных измерений. Почему же мы не замечаем шесть дополнительных измерений? Потому что, согласно теории струн, они свернуты в своего рода микрогеометрию, которая делает их невидимыми. (Представьте себе садовый шланг: издалека он выглядит одномерным, как линия, но вблизи становится видно, что у него есть второе измерение, свернутое в круг.) Некоторым физикам предположение о скрытых измерениях показалось экстравагантным. Однако нашлись и такие, кто решил, что это не слишком высокая цена за теорию. По словам Смолина, «теория струн сулила то, чего не было еще ни у какой теории, – квантовую теорию гравитации, которая была бы еще и подлинным объединением сил и вещества».

Но когда же она исполнит свои обещания? Прошли десятилетия с тех пор, как были замечены первые ее проблески, и за это время в теории струн состоялись две «революции». Первая – в 1984 году, когда удалось разобраться с некоторыми странностями, которые грозили погубить теорию. По свежим следам этого достижения четыре физика из Принстона, которых прозвали «Принстонский струнный квартет», показали, что теория струн и в самом деле способна охватить все силы природы. Затем за несколько лет физики всего мира написали более тысячи статей по теории струн. Кроме того, эта теория привлекла внимание самой авторитетной фигуры в теоретической физике – Эдуарда Виттена.