Майбутнє теорії струн. Бесіда з Брайаном Гріном
Scientific American (далі - SA): Коли мова заходить про теорію струн і космології, у багатьох наших читачів опускаються руки: «Ну, цього нам ніколи не зрозуміти!» - вигукують вони.
Брайан Гріні (далі - Б.Г.): Я помітив, що люди відчувають певний страх перед такими серйозними темами. Однак у більшості моїх співрозмовників інтерес до фундаментальних проблем настільки великий, що вони прагнуть розібратися в них набагато глибше, ніж в більш доступних речах.
SA: У книзі «Витончена Всесвіт» ви спочатку викладаєте загальну фізичну ідею, а потім приводите її більш детальний варіант.
Б.Г .: Мені здається, що це корисний прийом, особливо в найбільш важких розділах. У читача з'являється вибір: якщо загальна ідея - достатній для вас рівень, то можете спокійно пропускати наступний матеріал; якщо немає - розбирайтеся з ним. Я люблю викладати речі різними способами. Коли справа доходить до абстрактних понять, бажано розглядати їх в різних аспектах. Обмежуючись єдиним шляхом, ви ставите під загрозу можливість зробити прорив. Коли все розглядають проблему з одного боку, а ви підходите до неї зовсім з іншого, то вам неодмінно відкривається щось зовсім нове.
Б.Г .: Взяти хоча б великі досягнення Еда Віттен (Ed Witten) з Інституту перспективних досліджень в Прінстоні. Образно кажучи, він піднявся на гору, озирнувся і раптом побачив відсутні сполучні елементи, раніше ніким не помічені. В результаті йому вдалося об'єднати п'ять варіантів теорії струн, які до цього вважалися абсолютно різними. Ось і все: варто було подивитися під іншим кутом зору - бах! - і все вийшло. Саме так я вважаю фундаментальне відкриття. Всесвіт сама веде нас до своїх істин, бо саме вони лежать в основі всього, що ми сприймаємо. Тому ми, так чи інакше, рухаємося в одному напрямку. Таким чином, від великих досягнень нас часто відділяє лише невелика зміна в реальному або математичному сприйнятті, що з'єднує вже відомі речі іншим способом.
SA: Як ви думаєте, були б зроблені подібні відкриття без втручання генія?
Б.Г .: Важко сказати. У разі теорії струн я думаю, що так, бо елементи головоломки дійсно ставали все більш і більш ясними. Можливо, відкриття було б зроблено на 5-10 років пізніше, але підозрюю, воно було неминуче. Щодо загальної теорії відносності у мене немає однозначної відповіді. Це настільки грандіозне, монументальне переосмислення понять простору, часу і тяжіння, що для мене абсолютно не ясно, як і коли воно сталося б, якби не Ейнштейн.
Часто від здійснення грандіозного відкриття нас відділяє лише невелика зміна сприйняття завдання.
SA: А в теорії струн є подібні досягнення?
Б.Г .: Я думаю, що ми все ще чекаємо великого осяяння. Теорія струн створювалася на базі багатьох менш глобальних концепцій, які, поступово об'єднуючись, створювали фундамент значного теоретичного будівлі. Але ми поки не знаємо, в чому полягає ідея, яка увінчає його. Коли нам вдасться її зрозуміти, вона, немов маяк, освітить будова цілком, і тоді, я впевнений, ми знайдемо відповіді на досі невирішені питання.
Б.Г .:
Положення змінилося з появою роботи Хуана Малдасени (Juan Maldacena) з Інституту перспективних досліджень в Прінстоні, де він в межах теорії струн показав, як фізику в цілому, яку ми розглядаємо як реальність, можна точно відобразити фізикою на обмежує поверхні. Всі ці описи однаково вірно відображають події, що відбуваються, хоча в деталях можуть значно відрізнятися. Одне може бути в п'яти вимірах, інше - в чотирьох. Схоже, навіть число вимірювань не можна вважати точкою опори, бо існують альтернативні описи, так само точно відображають спостережувану фізику.
Таким чином, абстрактні ідеї стали більш конкретними, і це змушує їм довіряти. Навіть якщо в теорії струн щось зміниться, мені, як і багатьом іншим (хоча і не всім), здається, що галографічний принцип збережеться і буде направляти нас. Особисто я сумніваюся, що він стане тим самим маяком - швидше, важливим кроком до знаходження суті теорії. Голографічний принцип виходить за її межі, він просто несе в собі поняття про дуже загальної особливості світу, в якому існують квантова механіка і гравітація.
SA: Давайте трохи поговоримо про петлевий квантової гравітації і деяких інших підходах. Коли справа доходила до квантової гравітації, ви завжди розглядали теорію струн як єдиний оптимальний підхід. Ви як і раніше так вважаєте?
Б.Г .: Я думаю, що це самий забавний підхід! Справедливості заради потрібно відзначити, що підприємницькі кола ентузіастів петлевий квантової гравітації досягло великих успіхів. Зрозуміло, багато принципових питань як і раніше залишаються без відповідей, які мене б задовольнили. Проте це життєздатний метод, і дуже здорово, що багато надзвичайно талановиті люди працюють над ним. Я сподіваюся - і в цьому мене підтримує Лі Смолін (Lee Smolin) з Інституту теоретичної фізики в Ватерлоо, Канада, - що в кінцевому рахунку ми розвиваємо одну і ту ж теорію, але під різними кутами зору. Не виключено, що ми рухаємося до квантової гравітації різними шляхами, але одного разу обов'язково зустрінемося. Адже багато їх сильні сторони - це наші слабкості, і навпаки.
Одне зі слабких місць теорії струн - залежність від середовища, в якій вона діє. Нам доводиться приймати деяке існуюче простір-час, в межах якого рухаються струни. Хотілося б сподіватися, що в закінченою квантової теорії гравітації властивості простору-часу будуть виводитися з самих фундаментальних рівнянь теорії. А ось в петлевий квантової теорії гравітації є не залежить від середовища формулювання, в якій простір-час повністю з'являється безпосередньо з теорії. З іншого боку, у нас є прямий контакт із загальною теорією відносності Ейнштейна в разі великих масштабів, що випливає з наших рівнянь. Зате ми зазнаємо певних труднощів при розгляді звичайної гравітації. Тому природно припустити, що в кінцевому підсумку вдасться об'єднати сильні сторони обох напрямків.
SA: Робилися такі спроби?
Б.Г .: Поки без особливого успіху. Далеко не всі одночасно добре розбираються в обох теоріях, на кожну з яких можна витратити ціле життя, так і не зрозумівши до кінця. Однак вчені вже вступили в діалог і навіть провели кілька спільних засідань.
SA: Якщо є така залежність від середовища, то є надія дійсно зрозуміти глибинну сутність простору і часу?
Б.Г .: Давайте трохи спростимо задачу. Наприклад, залежність від середовища не завадила нам відкрити дзеркальну симетрію - можуть бути два простору-часу і одна фізика. Ми познайомилися з мінливістю топології - виявилося, що простір може перетворюватися такими способами, які перш неможливо було навіть уявити. З'ясувалося, що в мікросвіті може правити некомутативними геометрія, в якій результат перемноження координат залежить від порядку проходження сомножителей. Таким чином, можна отримати окремі елементи картини того, що відбувається. Але я думаю, що без формальної незалежності від середовища з'єднати всі частини воєдино на їх власній основі буде дуже важко.
Загальна теорія відносності - це капітальне переосмислення властивостей простору і часу. Нам залишається тільки чекати наступного осяяння.
SA: Сенс дзеркальної симетрії надзвичайно глибокий, тому що вона розділяє геометрію простору-часу і фізику, які так прагнув об'єднати Ейнштейн.
Б.Г .: Абсолютно вірно. Однак тепер вона не поділяє їх повністю, а просто каже, що вам бракує половини предмета. Геометрія міцно пов'язана з фізикою, але це - відображення «два до одного». Це - не фізика і геометрія окремо. Це - фізика і дві геометрії, з яких ви можете вибирати. Іноді використання однієї геометрії дозволяє краще зрозуміти завдання, ніж застосування іншого. І знову мова йде про різні способи розгляду однієї і тієї ж фізичної системи: дві різні геометрії і одна фізика. З'ясувалося, що існують математичні питання, що стосуються деяких фізичних і геометричних систем, на які неможливо відповісти, використовуючи тільки одну геометрію. Введення дзеркальної геометрії, яка раніше не застосовувалася, різко змінило ситуацію: складні завдання після перекладу на нову мову виявилися разюче простими.
SA: Що ж таке некомутативними геометрія?
Б.Г .: З часів Декарта точки позначають координатами: на поверхні Землі - широтою і довготою, в тривимірному просторі - трьома декартовими координатами: x, y і z. Ми завжди вважали їх звичайними числами, результат перемноження яких (операція, яку часто доводиться проводити у фізиці) не залежить від порядку проходження множників: 3, помножене на 5, так само 5, помноженому на 3. Багато що говорить про те, що просторові координати при дуже малих масштабах не схожі на звичайні трійки і п'ятірки, а утворюють новий клас чисел, твір яких залежить від порядку перемноження.
Втім, тут немає нічого нового: нам давно відомі матриці, на результат перемноження яких впливає порядок проходження сомножителей: А, помножене на B, не дорівнює B, помноженому на А, якщо А і B - матриці. Теорія струн вказує на те, що точки, описувані окремими числами, слід замінити геометричними об'єктами, що описуються матрицями. При великих масштабах матриці стають все більш діагональними, а на діагональні матриці поширюється властивість коммутативности при множенні: не має значення, в якому порядку ви перемножуєте діагональні матриці. При зануренні в мікросвіт недіагональні елементи матриць збільшуються і починають грати все більшу роль.
Некомутативними геометрія - нова область геометрії, яка роками розвивалася далеко від фізики. Французький математик Ален Коннес (Alain Connes) написав книгу «некомутативними геометрія». Евклід, Гаусс, Ріман та інші видатні геометри працювали в контексті комутативній геометрії, а тепер Коннес і його соратники розвивають зовсім новий напрямок.
SA: Мені важко уявити, що точки слід позначати матрицями, а не просто числами.
Б.Г .:
SA: Що ви думаєте про антропної і мультівселенской концепціях? У «Витонченою Всесвіту» ви писали про них, коли міркували про те, чи є межа для пояснення явищ в теорії струн.
Б.Г .: Я, як і багато інших, ніколи не ставився дуже серйозно до жодної з антропний ідей в основному тому, що, як мені здається, в будь-який момент історії науки ви можете сказати: «Ми не можемо йти далі, а відповідь на кожен досі невирішене питання така: все так, як воно є, тому що якби це було не так, то не було б нас, щоб поставити це питання ». Це схоже на невиправдану капітуляцію: адже може виявитися, що від розгадки нас відділяють якихось п'ять років кропіткої роботи. Тому я вважаю, що здаватися ні в якому разі не можна, навіть не дивлячись на, здавалося б, програшну позицію. Разом з тим антропні ідеї стають все більш пропрацювали. Вироблені конкретні припущення щодо того, як можуть співіснувати кілька різних всесвітів. Цілком ймовірно, що ми знаходимося в нашому Всесвіті просто тому, що її властивості придатні для нашого існування. Можливо, в інших всесвітів ми б елементарно не вижили. Зауважте, це не просто розумовий вправу.
SA: Теорія струн і сучасна фізика в цілому, по-видимому, наближаються до єдиної логічної структурі, яка повинна бути такою, яка вона є; а теорія - таким, яким воно є, тому що вона не могла б бути ніякої іншої. З одного боку, це серйозний аргумент проти антропного напрямки. Але з іншого боку, у вашій теорії є певна гнучкість, яка веде до антропному підходу.
Б.Г .: Гнучкість може бути, а може і не бути: можливо, вона - лише артефакт неповного розуміння. Теорія, ймовірно, допускає існування безлічі різних світів, один з яких - наш, але не обов'язково в чомусь дуже особливий. Так що насправді є прагнення до досягнення абсолютної, повною негнучкості.
Так виглядало б для вас простір-час, якби ви були струною: шість додаткових вимірів згорнуті в так звану форму Калаби-Яу (Calaby-Yau shape).
SA: Якби у вас були аспіранти, які очікують завдань, на що б ви їх направили?
Б.Г .: Головні питання - це ті, які ми обговорювали. Чи можемо ми зрозуміти, звідки беруться простір і час? Чи можемо ми вивести фундаментальні концепції теорії струн або М-теорії? Чи можемо ми показати, що з цих вихідних ідей слід унікальна теорія з єдиним рішенням, яке описує наш світ? Чи можливо перевірити ці теорії за допомогою астрономічних спостережень або експериментів на прискорювачах? Чи можемо ми зробити крок ще далі і зрозуміти, чому квантова механіка повинна бути невід'ємною частиною світу? Які фундаментальні положення - простір, час, квантова механіка - дійсно істотні, а вимоги скількох з них можна пом'якшити і все одно отримати світ, схожий на наш? Могла б фізика вибрати інший шлях, який був би експериментально так само успішний, але повністю відрізнявся від нашого? Я не знаю. Але думаю, що це - дійсно цікаве питання. Скільки з того, чого ми віримо, дійсно фундаментально і розвивається по єдиному шляху, що задається експериментальними даними і математичної узгодженістю? А скільки з цього могло б йти й іншим шляхом, але нам довелося рухатися по одній із колій лише тому, що ми відкрили саме його? Могли б істоти на інших планетах скласти зовсім інший набір законів, які працювали б точно так же, як наші?
Розмову вів Джордж Массер