Неприятности с физикой

13. Сюрпризы реального мира

Греческий философ Гераклит оставил нам прекрасный афоризм: природа любит скрываться. Это так часто верно. У Гераклита не было способа увидеть атом. Не важно, насколько много его приятели-философы рассуждали по этому поводу, увидеть атом было вне пределов любой технологии, которую они могли представить. В наши дни теоретики нашли великое применение склонности природы к загадочности. Если природа на самом деле суперсимметрична или имеет больше трех пространственных измерений, она это хорошо скрывает.

Но иногда верно противоположное. Иногда ключевые вещи находятся прямо перед нами, готовые к наблюдению. Скрытыми от незамысловатого взгляда Гераклита были легко воспринимаемые факты, которые мы теперь принимаем на веру, вроде принципа инерции или постоянного ускорения падающих объектов. Наблюдения Галилея за движениями на Земле не использовали телескопы или механические часы. Насколько я знаю, они могли бы быть проделаны и во времена Гераклита. Он только должен был задать правильные вопросы.

Итак, хотя мы горевали, как тяжело проверять идеи, идущие за теорией струн, нам стоит поинтересоваться, что может быть спрятано вокруг от нашего обычного взгляда. В истории науки было множество примеров открытий, которые удивляли ученых, поскольку они не предугадывались теорией. Нет ли сегодня наблюдений, которые мы, физики, не запрашивали, которые не навлекли на себя теорию, – наблюдений, которые могли бы подвинуть физику в интересном направлении? Нет ли шанса, что такие наблюдения уже были сделаны, но проигнорированы, поскольку, если они подтвердятся, они могли бы помешать нашим теоретизированиям?

Ответ на эти вопросы: да. Имеется несколько недавних экспериментальных результатов, которые указывают на новые явления, непредвиденные для большинства струнных теоретиков и физиков, занимающихся частицами. Ни один полностью не установлен. В нескольких случаях результаты достоверны, но интерпретации спорны; в других случаях результаты слишком новы и удивительны, чтобы быть широко принятыми. Но их стоит описать здесь, поскольку, если любая из этих подсказок выльется в настоящее открытие, тогда имеются важные свойства фундаментальной физики, которые не предсказываются ни одной из версий теории струн, и будет тяжело согласоваться с ними. Другие подходы тогда станут основными, а не факультативными.

Начнем с космологической константы с целью представить темную энергию, ускоряющую расширение вселенной. Как обсуждалось в главе 10, эта энергия не была предугадана ни теорией струн, ни большинством других теорий, и у нас нет идеи, как установить ее величину. Многие люди тяжело думали над этим на протяжении лет, и мы более или менее нигде. Я тоже не имею ответа, но у меня есть предложение, как мы могли бы найти его. Надо прекратить попытки оценить величину космологической константы в терминах известной физики. Если нет способа оценить явление на основе того, что мы знаем, тогда, может быть, это знак, что нам нужно поискать что-то новое. Возможно, космологическая константа является симптомом чего-то другого, в таком случае она может иметь и другие проявления. Как нам поискать их или опознать их?

Ответ будет простым, поскольку универсальные явления, в конечном счете, просты. Силы в физике характеризуются только несколькими числами – например, расстоянием, на которое распространяется сила, и зарядом, который говорит, насколько сила велика. Что характеризует космологическую константу, так это масштаб, который является масштабом расстояний, выше которых она искривляет вселенную. Мы можем назвать этот масштаб R. Он порядка 10 миллиардов световых лет или 10²⁷ сантиметров. Что является странным в космологической константе, так это что ее масштаб гигантский по сравнению с другими масштабами физики. Масштаб R в 10⁴⁰ раз больше размера атомных ядер и в 10⁶⁰ раз больше планковского масштаба (который составляет примерно 10–20 от размера протона). Так что логично поинтересоваться, может ли масштаб R отражать некоторую совершенно новую физику. Хорошим подходом мог бы стать поиск явлений, которые происходят на том же самом громадном масштабе.

Происходит ли что-нибудь другое на масштабе космологической константы? Начнем с самой космологии. Самыми точными космологическими наблюдениями, которые мы имеем, являются измерения космического микроволнового фона. Это излучение, оставшееся от Большого Взрыва, которое приходит к нам со всех направлений в небе. Излучение чисто тепловое – то есть, хаотическое. Оно остывало, пока вселенная расширялась, и сегодня находится при температуре 2,7 Кельвинов. Температура однородна по небу с высокой степенью точности, но на уровне нескольких частей на 100 000 в ней имеются флуктуации (см. Рис. 13, вверху). Картина этих флуктуаций дает нам важную путеводную нить к физике очень ранней вселенной.

За последние десятилетия температурные флуктуации микроволнового фона были картографированы спутниками, детекторами на аэростатах и детекторами, расположенными на грунте. Один из способов понять, что именно измерили эти эксперименты, это подумать о флуктуациях, как если бы они были звуковыми волнами в ранней вселенной. Тогда полезно спросить, насколько громки флуктуации на различных длинах волн. Результаты дают нам картину, такую как на Рис.13, внизу, которая говорит нам, сколько энергии имеется при различных длинах волн.

В картине доминирует большой пик, за которым следуют несколько пиков поменьше. Открытие этих пиков является одним из триумфов современной науки. Они интерпретируются космологами, чтобы отметить, что заполнявшая раннюю вселенную материя звучала почти похоже на корпус барабана или на тело флейты. Длина волны, на которой вибрирует музыкальный инструмент, пропорциональна его размеру, и то же самое верно для вселенной. Длины волн резонансных мод говорят нам, насколько велика была вселенная, когда она впервые стала прозрачной: то есть, когда начальная горячая плазма перешла или "распалась" на отдельные царства вещества и энергии примерно через триста тысяч лет после Большого Взрыва; в это время микроволновое излучение и стало видимым. Эти наблюдения экстремально полезны в привязке параметров нашей космологической модели.

Другое свойство, которое мы видим в данных, заключается в том, что в самой большой длине волны содержится мало энергии. Это может быть просто статистическая флуктуация, поскольку эта область содержит незначительное число точек данных. Но если это не статистическая случайность, это может быть интерпретировано как указание на отсечку, выше которой моды возбуждаются намного меньше. Интересно, что эта отсечка находится на масштабе R, связанном с космологической константой.

Существование такой отсечки загадочно с точки зрения наиболее широко принятой теории очень ранней вселенной, а именно инфляции. Согласно теории инфляции вселенная расширялась экспоненциально быстро во время одного экстремально раннего периода. Инфляция объясняет наблюдение, что космическая фоновая радиация близка к однородной. Она делает это, обеспечивая, что все части вселенной, которые мы видим сегодня, находились в причинном контакте, когда вселенная была еще плазмой.

Теория также предсказывает флуктуации космического микроволнового фона, которые гипотетически являются следом квантовых эффектов во время периода инфляции. Принцип неопределенности предполагает, что поля, представлявшие основную энергию вселенной во время инфляции, флуктуировали, и эти флуктуации отпечатались в геометрии пространства. Так как вселенная расширялась экспоненциально, они сохранились, вызвав флуктуации в температуре излучения, возникшие, когда вселенная стала прозрачной.

Инфляция уверенно производит гигантский регион вселенной с относительно однородными свойствами. Это регион мыслится на много порядков величины большим, чем наблюдаемая область, вследствие простых рассуждений о масштабах. Если бы инфляция остановилась точно в точке, где был создан регион размером с наблюдаемую нами сегодня область, должен был бы быть некоторый параметр в физике инфляции, который выбрал бы специальное время для остановки, которое точно оказалось нашей эрой. Но это кажется невероятным, поскольку инфляция имела место, когда вселенная имела температуру на десять в двадцатой степени порядков величины больше, чем центр самой горячей звезды сегодня; таким образом, управляющие ей законы должны быть особыми законами, которые доминируют в физике только в таких экстремальных условиях. Имеется много гипотез о законах, которые управляют инфляцией, но ни одна из них не говорит ничего о временном масштабе в 10 миллиардов лет. Другим способом определить это является то, что, кажется, нет способа для сегодняшней величины космологической константы как-то повлиять на физику, которая вызывала инфляцию.

Таким образом, если инфляция производит однородную вселенную на масштабе, который мы наблюдаем, она, вероятно, произведет вселенную, которая однородна при намного больших масштабах. Все это подразумевает, что картина произведенных инфляцией флуктуаций должна продолжаться и продолжаться, независимо от того, насколько далеко вы заглядываете. Если бы вы смогли заглянуть за пределы существующего размера наблюдаемой вселенной, вы должны были бы продолжать видеть малые флуктуации в космическом микроволновом фоне. Вместо этого, данные подсказывают, что флуктуации могут прекратиться на масштабе больше R.

На самом деле, когда космологи исследовали крупномасштабные моды в микроволновом фоне, они нашли много головоломок. Предметом веры среди космологов является то, что на самых больших масштабах вселенная должна быть симметрична – то есть, любое заданное направление должно выглядеть как любое другое. Это не то, что наблюдается. Излучение на этих крупномасштабных модах не симметрично; имеется предпочтительное направление. (Оно было названо "осью зла" космологами Кэт Лэнд и Жоао Магуэйджо.) Никто не имеет никакого рационального объяснения этому эффекту.

Эти наблюдения вызывают споры, поскольку они сильно не согласуются с тем, что мы ожидали бы на основании инфляции. Поскольку инфляция объясняет в космологии очень много, многие благоразумные ученые подозревают, что имеется что-то неправильное в микроволновых данных. На самом деле, всегда может быть, что данные просто ошибочны. К данным применяются многочисленные тонкие способы анализа, прежде чем они представляются публике. Одной из сделанных вещей является выделение излучения, о котором известно, что оно идет от галактики, в которой мы живем. Это могло быть сделано некорректно, но некоторые эксперты, близко знакомые с деталями того, как анализировались данные, уверены, что все правильно. Другая возможность, как отмечалось, заключается в том, что наши наблюдения являются просто статистическими аномалиями. Осцилляции на длине волны масштаба R занимают гигантскую часть неба – около 60 градусов; следовательно, мы видим только несколько длин волн, и имеются только несколько точек данных, поэтому то, что мы видим, может быть просто хаотической статистической флуктуацией. Возможность подтверждения, что преимущественное направление является статистической аномалией, оценивается меньше чем 1 часть на 1000. Но легче поверить в эту маловероятную неудачу, чем поверить, что предсказания инфляции разрушены.

Эти проблемы в настоящее время не решены. На данный момент достаточно сказать, что мы искали странную физику на масштабе R и нашли ее.

Имеются ли какие-нибудь другие явления, связанные с этим масштабом? Мы можем объединить R с другими константами природы, чтобы посмотреть, что происходит на масштабах, определяемых получившимся в итоге числом. Позвольте мне предложить пример. Рассмотрим R, деленное на скорость света: R/c. Это дает нам время, а время грубо дает нам существующий возраст нашей вселенной. Обратная величина, c/R, дает нам частоту – очень низкий тон, одно колебание за время жизни вселенной.

Следующая простейшая вещь для попыток есть c2/R. Она оказывается ускорением. Фактически, это ускорение, с которым возрастает темп расширения вселенной – то есть, ускорение, производимое космологической константой. Однако, по сравнению с обычными масштабами, это очень малое ускорение: 10–8 сантиметров в секунду за секунду. Представим себе жука, ползущего по полу. Ему удастся проделать, возможно, 10 сантиметров в секунду. Если жук удвоит свою скорость за время жизни собаки, он будет ускоряться примерно с темпом c2/R, на самом деле очень маленькое ускорение.

Но предположим, что имеется новое универсальное явление, которое объясняет величину космологической константы. Только из того факта, что масштаб велик, это новое явление должно будет также влиять на любой другой вид движения с ускорением такой же малости. Так что всегда, когда мы можем наблюдать нечто, двигающееся с таким малым ускорением, мы должны ожидать увидеть что-то новое. Теперь игра начинает быть интересной. Мы знаем вещи, которые ускоряются с указанной медленностью. Одним из примеров является типичная звезда, вращающаяся в типичной галактике. Галактики, вращающиеся вокруг других галактик, ускоряются даже еще медленнее. Итак, видим ли мы какое-нибудь отличие в орбитах звезд с ускорением этой малости по сравнению с орбитами звезд с большими ускорениями? Ответ: да, мы видим, и отличие разительное. Это проблема темной материи.

Как мы обсуждали в главе 1, астрономы открыли проблему темной материи путем измерения ускорений звезд на орбитах вокруг центра их галактик. Проблема возникла потому, что, получив измеренные ускорения, астрономы смогли вывести распределения галактической материи. В большинстве галактик этот результат оказался не согласующимся с непосредственно наблюдаемой материей.

Теперь я могу сказать немного больше о том, как возникает такое рассогласование. (С целью упрощения я ограничиваю обсуждение спиральными галактиками, в которых большинство звезд двигаются по круговым орбитам в диске.) В каждой галактике, где была найдена проблема, она оказывала влияние только на звезды, двигающиеся снаружи определенной орбиты. Внутри этой орбиты проблем нет – ускорения таковы, какие и должны быть, если они вызываются видимой материей. Так что кажется, что имеется область внутри галактики, в пределах которой работают законы Ньютона и где не нужна темная материя. Вне этой области вещи приобретают беспорядок.

Ключевой вопрос таков: где располагается специальная орбита, разделяющая две области? Мы можем предположить, что она появляется на особом расстоянии от центра галактики. Это естественная гипотеза, но она не верна: не проходит ли разделяющая линия по определенной плотности звезд или их излучения? Ответ опять: нет. Что кажется определяющим разделительную линию, это, что удивительно, темп самого ускорения. Когда что-то удаляется от центра галактики, ускорения уменьшаются, и тут оказывается критический темп, который отмечает нарушение ньютоновского закона гравитации. Как только ускорение звезды превысит эту критическую величину, ньютоновский закон кажется работающим, и наблюдается предсказанное ускорение. В этих случаях не нужно постулировать никакой темной материи. Но когда наблюдаемое ускорение меньше, чем критическая величина, оно больше не согласуется с предсказанием закона Ньютона.

Что это за специальное ускорение? Оно измерено и равно 1,2 х 10–8 сантиметров в секунду за секунду. Это близко к c2/R, величине ускорения, произведенного космологической константой!

Этот выдающийся поворот в истории темной материи был открыт в начале 1980х израильским физиком по имени Мордехай Милгром. Он опубликовал свои изыскания в 1983, но долгие годы они почти совершенно игнорировались. Однако, когда были получены более точные данные, стало ясно, что его наблюдение было правильным. Масштаб c2/R характеризует ускорения, где закон Ньютона нарушается для галактик. Это сейчас называется астрономами законом Милгрома.

Я хочу, чтобы вы поняли, насколько таинственным является это наблюдение. Масштаб R есть масштаб всей наблюдаемой вселенной, который в чудовищное количество раз больше, чем размер любой индивидуальной галактики. Ускорение c2/R возникает на космологическом масштабе; как отмечалось, это темп, с которым ускоряется расширение вселенной. Нет очевидных причин, по которым этот масштаб вообще играет какую-либо роль в динамике индивидуальной галактики. К осознанию, что это происходит, нас подтолкнули данные. Я вспоминаю свое изумление, когда я впервые узнал об этом. Я был шокирован и возбужден. Я гулял около часа в удивлении, бормоча бессвязные ругательства. Наконец-то! Возможная подсказка из эксперимента, что в мире имеется намного больше, чем мы, теоретики, представляем!

Как это должно быть объяснено? В стороне от случайного совпадения имеются три возможности. Могла бы быть темная материя, а масштаб c2/R мог бы характеризовать физику частиц темной материи. Или гало темной материи могло бы характеризоваться масштабом c2/R, поскольку это связано с плотностью темной материи во время, когда она коллапсировала, чтобы сформировать галактики. В любом случае темная энергия и темная материя являются различными явлениями, но взаимосвязанными.

Другая возможность в том, что нет темной материи и закон гравитации Ньютона нарушается, как только ускорения оказываются столь же малы, как и специальная величина c2/R. В этом случае необходим новый закон, который заменит закон Ньютона в этих условиях. В своей статье 1983 Милгром предложил такую теорию. Он назвал ее MOND, что означает сокращение от "модифицированной ньютоновской динамики". Согласно закону гравитации Ньютона ускорение тела из-за массы уменьшается особым образом, когда вы удаляетесь от этой массы – а именно, как обратный квадрат расстояния. Теория Милгрома говорит, что закон Ньютона сохраняется, но только пока ускорение не упадет до магической величины 1,2 х 10–8 см/сек2. После этой точки вместо того, чтобы уменьшаться как обратный квадрат расстояния, оно уменьшается только обратно пропорционально расстоянию. Более того, хотя обычно ньютоновская сила пропорциональна массе тела, вызывающего ускорение, умноженной на константу (которая есть гравитационная константа Ньютона), MOND говорит, что, когда ускорение очень мало, сила пропорциональна квадратному корню из массы, умноженной на константу Ньютона.

Если Милгром прав, тогда причина того, что звезды за пределами специальной орбиты ускоряются больше, чем это должно быть, в том, что они ощущают более значительную гравитационную силу, чем предсказывал Ньютон! Здесь совершенно новая физика – не на планковском масштабе, и даже не в ускорителе, а прямо перед нами, в движениях звезд, которые мы видим в небе.

MOND, как теория, не принесла для физиков много смысла. Имеются веские причины, почему гравитационные и электрические силы падают как квадрат расстояния. Это оказывается следствием относительности, объединенной с трехмерной природой пространства. Я не хочу вдаваться здесь в детали, но заключение радикальное. Теория Милгрома оказывается не совместима с базовыми физическими принципами, включая принципы СТО и ОТО.

Были попытки модифицировать ОТО, чтобы сконструировать теорию, которая включает в себя MOND или нечто близкое к ней. Одна такая теория была придумана Якобом Бекенштейном; другая Джоном Моффатом, тогда из Университета Торонто; и еще одна Филипом Маннхаймом из Университета Коннектикута. Это очень одаренные люди (Бекенштейн, как вы можете вспомнить из главы 6, открыл энтропию черных дыр, тогда как Моффат изобрел много удивительных вещей, включая космологию с переменной скоростью света). Все три теории работают до некоторого предела, но они являются, по моему мнению, в высшей степени искусственными. Они имеют некоторые дополнительные поля и требуют настройки нескольких констант до маловероятных величин, чтобы получить согласие с наблюдениями. Я также беспокоюсь о проблеме нестабильности, хотя авторы заявляют, что такие проблемы урегулированы. Хорошая новость, что люди могут изучать такие теории в рамках старого способа действий – путем сравнения своих предсказаний с большим количеством имеющихся у нас астрономических данных.

Нужно сказать, что за пределами галактик MOND работает не очень хорошо. Имеется множество данных о распределении масс и движении галактик на масштабах, больших, чем галактический масштаб. В этом режиме теория темной материи намного лучше MOND при оценке данных.

Тем не менее, MOND кажется вполне хорошо работающей внутри галактик. Данные, собранные за последнее десятилетие, показали, что более чем в восьмидесяти случаях (по последней оценке) из примерно ста изученных MOND предсказывает, как звезды двигаются внутри галактик лучше, чем модели, базирующиеся на темной материи. Конечно, последние все время усовершенствуются, так что я не буду пытаться предсказать, как повернется соответствие. Но на настоящий момент мы, кажется, стоим перед очаровательно скандальной ситуацией. Мы имеем две совершенно разные теории, только одна из которых может быть верной. Одна теория, – которая базируется на темной материи, – имеет хороший смысл, в который легко поверить, и очень хорошо предсказывает движения вне галактик, но не так хорошо внутри них. Другая теория, MOND, очень хорошо работает с галактиками, терпит неудачу вне галактик и, в любом случае, базируется на предположениях, которые кажутся противоречащими в высшей степени хорошо установленной науке. Я должен признаться, что ничто в последний год не вызывает у меня ночью бессонницу больше, чем волнения по поводу этой проблемы.

Было бы легко проигнорировать MOND, если бы не факт, что закон Милгрома предполагает, что масштаб загадочной космологической константы каким-то образом имеет отношение ко всему, что определяет, как звезды двигаются в галактиках. Только из данных опыта оказывается, что ускорение c2/R играет ключевую роль в том, как двигаются звезды. Происходит ли это из-за связи между темной материей и либо темной энергией, либо космологическим масштабом расширения, либо из-за чего-то еще более радикального, мы видим, что в этом ускорении на самом деле может быть найдена новая физика.

Я беседовал о MOND с несколькими из наиболее одаренных теоретиков, кого я знаю. Часто это происходило примерно так: Мы начинали говорить о некоторых серьезных проблемах генерального направления, и один из нас упоминал галактики. Мы бросали друг на друга быстрый взгляд понимания, и один из нас произносил: "Так вы тоже беспокоитесь по поводу MOND," как будто признавался в секретном пороке. Затем мы делились нашими сумасшедшими идеями – поскольку все идеи по поводу MOND, которые не являются сразу неправильными, оказываются сумасшедшими.

Единственное преимущество, что это тот случай, где имеется множество данных, и все время получаются еще лучшие данные. Раньше или позже мы узнаем, объясняет ли темная материя движение звезд и галактик, или мы должны будем принять радикальную модификацию законов физики.

Конечно, это может быть только случайность, что темная материя и темная энергия разделяют общий физический масштаб. Не все совпадения имеют смысл. Так что мы должны спросить, не имеется ли других явлений, где это слабое ускорение может быть измерено. Если так, имеется ли там ситуация, где теория и эксперимент расходятся?

Оказывается, что есть другой такой случай, и он тоже тревожащий. NASA до сегодняшнего дня послало несколько космических аппаратов за пределы Солнечной системы. Среди них два – Пионер 10 и 11 – прослеживались десятилетия. Пионеры были сконструированы для путешествия к внешним планетам, после чего они продолжили движение прочь от Солнца в противоположных направлениях в плоскости Солнечной системы.

Ученые NASA в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory – JPL) в Пасадене, Калифорния, смогли определить скорости аппаратов Пионер с использованием допплеровского сдвига, и, таким образом, смогли точно отследить их траектории. JPL попыталась предугадать траектории с помощью предсказания сил, действующих на аппараты от Солнца, планет и других составляющих Солнечной системы. В обоих случаях наблюдаемые траектории не соответствовали предсказанным. Расхождения были вызваны дополнительным ускорением, притягивающим аппараты в направлении Солнца. Величина этого мистического ускорения была около 8 х 10–8 сантиметра в секунду за секунду – больше, чем величина аномального ускорения, измеренного в галактиках, примерно в 6 раз. Но это все еще довольно близко, учитывая, что тут нет видимой связи между двумя явлениями.

Я должен подчеркнуть, что данные в этом случае еще полностью не приняты. Хотя аномалия наблюдалась у обоих Пионеров, что намного более убедительно, чем если бы это было видно только у одного, они оба были построены и отслеживались JPL. Однако, данные JPL независимо анализировались учеными с помощью Компактной высокоточной программы движения спутников Аэрокосмической корпорации, и эти результаты согласовались с результатами JPL. Так что данные до настоящего времени кажутся правдоподобными. Но астрономы и физики имеют понятно высокие стандарты доказательства, особенно когда мы задаемся вопросом об уверенности в данных, что закон гравитации Ньютона нарушается сразу за пределами нашей Солнечной системы.

Поскольку расхождение мало, может быть возможным оценить его через некоторый мелкий эффект, вроде того, что сторона аппарата, обращенная к Солнцу, была чуть горячее, чем противоположная сторона; или вроде слабой утечки газа. Команда JPL приняла во внимание каждый такой эффект, они были учтены, и до сих пор не удается объяснить наблюдавшееся аномальное ускорение. Недавно были предложения послать наружу специально подготовленный зонд, сконструированный и построенный так, чтобы удалить так много подобных паразитных эффектов, насколько возможно. Такому зонду потребуется много лет, чтобы покинуть Солнечную систему, но даже так, эта миссия стоит затраченного труда. Закон гравитации Ньютона простоял более трех сотен лет; если его удастся или слегка точнее подтвердить, или доказать его неправильность, тогда больше не останется вопросов.

Что если MOND или аномалия Пионеров окажется правильной? Могут ли их данные быть согласованы с некоторой существующей теорией?

По самой меньшей мере, MOND не совместима со всеми версиями теории струн, изученными до сегодняшнего дня. Может ли она быть совместима с некоторой пока не известной версией теории струн? Конечно. Учитывая гибкость теории струн, нет оснований отвергать это, хотя это было бы трудно выполнить. Как насчет других теорий? Некоторые люди с трудностями пытались вывести MOND из сценария мира на бране или некоторых версий квантовой гравитации. Имеется несколько идей, но ни одна из них не работает впечатляюще. Фотини Маркопоулоу, моя коллега по Пограничному институту теоретической физики, и я рассуждали о том, как получить MOND из квантовой гравитации, но мы не смогли показать, как наша идея работает в деталях. MOND является мучительной тайной, но нет никого, кто бы решил ее сегодня, так что будем двигаться к другим подсказкам по новой физике, следующим из эксперимента.

Самые поразительные эксперименты те, которые переворачивают всеми поддерживаемые убеждения. Некоторые убеждения настолько врезались в наше мышление, что они отражены в нашем языке. Например, мы говорим о физических константах, чтобы обозначить те числа, которые никогда не изменяются. Сюда включается большинство основных параметров законов физики, таких как скорость света или заряд электрона. Но являются ли эти константы на самом деле постоянными? Почему не могло бы быть, что скорость света изменяется во времени? И можно ли было бы измерить такое изменение?

В теории мультивселенной, обсуждавшейся в главе 11, мы представляли параметры, изменяющиеся по широкому диапазону различных вселенных. Но как мы можем наблюдать такие вариации в нашей собственной вселенной? Могли бы константы, такие как скорость света, изменяться со временем в нашей вселенной? Некоторые физики указывали, что скорость света измеряется в некоторой системе единиц – то есть, столько-то километров в секунду. Как, они утверждали, вы можете различить изменение скорости света со временем в ситуации, в которой сами единицы изменяются со временем?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно узнать, как определяются единицы расстояния и времени. Эти единицы основываются на некоторых физических стандартах, которые определяются в терминах поведения некоторых физических систем. Сначала стандарты ссылались на Землю: метр был одной миллионной долей расстояния от Северного полюса до экватора. Теперь стандарты базируются на свойствах атомов – например, секунда определяется в терминах колебаний атома цезия.

Если вы приняли во внимание, как определяются единицы, тогда физические константы определяются через соотношения. Например, скорость света может быть определена, если вы знаете отношение между временем, которое требуется свету, чтобы пересечь атом, и периодом света, который испускает атом. Эти виды отношений являются одними и теми же во всех системах единиц. Отношение ссылается чисто на физические свойства атомов; в его измерении не содержится решения по поводу выбора единиц. Поскольку отношения определяются в терминах одних только физических свойств, имеет смысл спросить, изменяются ли эти отношения во времени, или нет. Если изменяются, то тогда во времени изменяются и взаимоотношения между одними физическими свойствами атома и другими.

Изменения в этих отношениях могли бы быть измеримы через изменения в частотах света, испускаемого атомами. Атомы испускают свет в спектре, состоящем из многих дискретных частот, так что имеется множество отношений, определенных парами этих частот. Можно спросить, не отличаются ли эти отношения в свете от удаленных звезд и галактик – то есть, в свете, который имеет возраст в миллиарды лет.

Эксперименты такого рода не смогли обнаружить изменения в константах природы внутри нашей галактики или среди близлежащих галактик. На масштабе времени в миллионы лет, таким образом, константы не изменяются никаким обнаружимым образом. Но непрерывно продолжающийся эксперимент группы из Австралии нашел изменения в отношениях, рассматривая свет от квазаров – свет, который был излучен примерно 10 миллиардов лет назад. Австралийские ученые не изучали атомные спектры самих квазаров; то, что они делали, более остроумно. На пути от квазара до нас свет путешествовал через многие галактики. Каждый раз, когда он проходил через галактику, некоторое количество света поглощалось атомами этой галактики. Атом поглощают свет на особых частотах, но из-за эффекта Допплера частота, на которой свет был поглощен, сдвинута в направлении красного конца спектра на величину, пропорциональную расстоянию от галактики до нас. В результате спектр света от квазара был декорирован лесом линий, каждая из которых соответствовала свету, поглощенному галактикой на определенном расстоянии от нас. Изучая отношения частот этих линий, мы можем поискать изменения в фундаментальных константах за время, в течение которого свет путешествовал от квазара. Поскольку изменения должны проявиться как отношения частот и имеется несколько фундаментальных констант, физики взялись за изучение простейшего отношения – постоянной тонкой структуры, которая составлена из констант, определяющих свойства атома. Ее называют альфа, и она равна квадрату заряда электрона, деленному на скорость света и на постоянную Планка.

Австралийцы изучили измерения света от восьмидесяти экземпляров квазаров, используя очень точные измерения, полученные телескопом Кека (Keck) на Гавайях. Они вывели из своих данных, что около 10 миллиардов лет назад альфа была меньше примерно на 1 часть из 10 000.

Это малое изменение, но если оно поддержится, это будет весомое открытие, самое важное за десятилетия. Это мог бы быть первый раз, когда было обнаружено, что фундаментальная константа природы меняется во времени.

Многие астрономы, которых я знаю, держат разум открытым. По всем оценкам данные были собраны и проанализированы экстремально тщательно. Никто не нашел очевидных изъянов в методе или результатах австралийской команды, но сам эксперимент очень тонкий, привлеченные для него точности измерений находятся на пределе возможного, и мы не можем исключить вероятности, что некоторая ошибка проскользнула в анализ. Как следует из написанного, ситуация шаткая, что типично для новых экспериментальных технологий. Другие группы пытаются провести те же измерения, и результаты дискуссионны.

Многие теоретики скептически настроены к свидетельствам изменений в постоянной тонкой структуры. Они беспокоятся, что такое изменение будет чрезмерно неестественным, так как оно могло бы ввести в теорию электронов, ядер и атомов временную шкалу больших порядков величины, удаленную от шкал атомной физики. Конечно, речь могла бы идти о масштабе космологической константы. Фактически, масштаб, при котором постоянная тонкой структуры изменяется, не связан ни с чем другим, что было измерено, за исключением самой космологической константы. Так что, возможно, это другое загадочное явление, которое должно иметь дело с масштабом R.

Еще другим проявлением масштаба R могут быть загадочные массы нейтрино. Вы можете конвертировать масштаб R к масштабу масс, используя только фундаментальные константы физики, и итог будет того же порядка величины, как и разницы между массами различных видов нейтрино. Никто не знает, почему нейтрино, легчайшие из частиц, должны иметь массы, связанные с R, но это так – другая мучительная подсказка.

Могла бы быть финальная экспериментальная подсказка, содержащая масштаб R. Объединяя его с ньютоновской гравитационнной константой, мы можем заключить, что могли бы быть эффекты, изменяющие гравитационную силу на масштабе миллиметров. В настоящее время группой в Университете Вашингтона, возглавляемой Эриком Адельбергером, проводятся ультраточные измерения силы гравитации между двумя объектами, которые разделены миллиметрами. На июнь 2006 все, что они могли сказать публично, это что они не обнаружили свидетельств, что законы Ньютона нарушаются на масштабах 6/100 миллиметра.

По крайней мере, наши эксперименты должны определенно проверять фундаментальные принципы физики. Имеется великая склонность думать, что эти принципы, будучи раз открытыми, являются вечными, пока что история говорит о другом. Почти каждый принцип, раз объявленный, занял чье-то место. Не важно, насколько они полезны, или насколько хороши приближения, которые они дают для явлений, раньше или позже большинство принципов падет, как только эксперимент прозондирует естественный мир более точно. Платон объявил, что все в небесных сферах движется по окружностям. Для этого имелись веские причины: все выше сферы Луны, верилось, является вечным и совершенным. А нет движения более совершенного, чем однородное движение по окружности. Птолемей принял этот принцип и расширил его, сконструировав эпициклы – окружности, двигающиеся по окружностям.

Орбиты планет и в самом деле очень близки к круговым, а движение планет по их орбитам является почти однородным. Как-то все было подогнано, что последняя круговая планетарная орбита принадлежала непокорному Марсу – и его орбита была столь близка к круговой, что отклонения были на пределе того, что можно было бы вывести из лучших наблюдений невооруженным глазом. В 1609 после девяти лет усердной работы над марсианской орбитой Иоганн Кеплер понял, что это должен быть эллипс. В этот год Галилей направил телескоп в небо и начал новую эру астрономии, в которой со временем стало ясно, что Кеплер был прав. Окружности являются самыми совершенными формами, но планетарные орбиты не круговые.

Когда древние объявили круг самой совершенной формой, они имели в виду, что она самая симметричная: каждая точка на орбите такая же, как и любая другая. Принципы, которые тяжелее всего отбросить, это те, которые обращаются к нашей потребности в симметрии и повышают наблюдаемую симметрию до необходимости. Современная физика основана на коллекции симметрий, которые, как мы уверены, хранят большинство базовых принципов. Не менее, чем древние, многие современные теоретики инстинктивно верят, что фундаментальная теория должна быть самым симметричным из возможных законов. Должны ли мы доверять этому инстинкту, или мы должны прислушаться к урокам истории, которые говорят нам, что (как в примере с планетарными орбитами) природа становится менее, а не более симметричной, если мы рассматриваем ее поближе?

Самыми глубоко встроенными в современную теорию симметриями являются те, которые происходят от эйнштейновский СТО и ОТО. Самой основной из них является относительность инерциальных систем отсчета. По существу, это принцип Галилея, и он был основополагающей идеей физики с семнадцатого столетия. Он говорит, что мы не можем отличить движение с постоянной скоростью и направлением от покоя. Этот принцип отвечает за факт, что мы не чувствуем движения Земли или наше движение в самолете, двигающемся в небе с постоянной скоростью. Пока нет ускорения, вы не можете почувствовать своего собственного движения. Другой способ выразить это заключается в том, что не имеется привилегированного наблюдателя и нет привилегированной системы отсчета: пока ускорение отсутствует, один наблюдатель столь же хорош, как и другой.

Эйнштейн в 1905 сделал то, что применил этот принцип к свету. Следствием было то, что скорость света должна рассматриваться как константа вне зависимости от движения источника света или наблюдателя. Не имеет значения, как мы движемся друг относительно друга, вы и я определим у фотона в точности одинаковую скорость. Это основа эйнштейновской СТО.

Имея СТО, мы можем сделать много предсказаний о физике элементарных частиц. Вот одно, касающееся космических лучей. Это сообщество частиц, как мы уверены, в большей части протонов, которые путешествуют через вселенную. Они достигают верхних слоев атмосферы Земли, где сталкиваются с атомами в воздухе, производя ливни других видов частиц, которые могут быть обнаружены на поверхности. Никто не знает источника этих космических лучей, но чем выше их энергия, тем реже они попадаются. Они наблюдались при энергиях, более чем в 100 миллионов раз больших, чем масса протона. Чтобы иметь такую энерию, протон должен двигаться очень, очень близко к скорости света – пределу скорости, который в соответствии с СТО ни одной частице не позволено преодолеть.

Мы убеждены, что космические лучи приходят от удаленных галактик; если так, они должны были путешествовать через вселенную миллионы, а, возможно, миллиарды световых лет, прежде чем прибыли сюда. Давно в 1966 два советских физика Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин и (независимо) физик из Корнелльского университета Кеннет Грейзен сделали выдающееся предсказание по поводу космических лучей, используя только СТО. Это предсказание, обычно известное как предсказание GZK (ГЗК), достойно описания, поскольку оно только в настоящее время проверяется. Это самый экстремальный тест СТО, который когда-либо делался. Это, фактически, первый тест приближения СТО к планковскому масштабу, масштабу, на котором мы можем увидеть эффекты квантовой теории гравитации.

Хорошие ученые получают преимущество от всех инструментов, которые есть в их распоряжении. Грейзен, Зацепин и Кузьмин поняли, что мы имеем доступ к лаборатории, в гигантское количество раз превосходящей все, что мы когда-либо сможем построить на Земле, – к самой вселенной. Мы можем детектировать космические лучи, которые достигают Земли после путешествия в миллиарды лет через значительную часть вселенной. Когда они путешествуют, очень малые эффекты – эффекты, которые могли бы быть слишком мелкими, чтобы показаться в земных экспериментах, – могут увеличиться до точки, где мы можем их увидеть. Если мы используем вселенную как экспериментальный инструмент, мы сможем заглянуть намного глубже в структуру природы, чем люди когда-либо представляли.

Ключевой момент в том, что пространство, через которое путешествуют космические лучи, не пусто; оно заполнено космической микроволновой фоновой радиацией. Грейзен и советские ученые поняли, что протоны с энергией больше, чем особая величина, будут взаимодействовать с фотонами фоновой радиации и что это взаимодействие будет создавать частицы (вероятнее всего, пионы, они же пи-мезоны). Это создание частиц требует энергии, а, поскольку энергия сохраняется, высоко-энергичные протоны будут замедляться. Таким образом, пространство в результате непрозрачно для прохождения любых протонов, которые несут энергии больше, чем необходимо для создания пионов.

Следовательно, пространство функционирует как фильтр. Протоны, составляющие космические лучи, могут путешествовать, только если они имеют энергии меньше, чем это требуется, чтобы создать пионы. Если они имеют больше, они делают пионы и замедляются, и так происходит до тех пор, пока протоны не замедлятся до такой точки, в которой они больше не смогут делать пионы. Это выглядит, как если бы вселенная устанавливала предел скорости для протонов. Грейзен, Зацепин и Кузьмин предсказали, что протоны с энергией больше, чем энергия, необходимая для того, чтобы сделать пионы таким способом, не будут достигать Земли. Энергия, при которой они предсказали, что будет происходить создание пиона, составляет около миллиардной доли энергии Планка (10¹⁹ ГэВ) и называется отсечкой GZK.

Это гигантская энергия, которая ближе к энергии Планка, чем любая другая энергия, которую мы знаем. Она более чем в 10 миллионов раз превышает энергию, которая будет достигнута на самых усложненных ускорителях частиц, планируемых в настоящее время.

Предсказание GZK обеспечивает строгий тест СТО Эйнштейна. Оно зондирует теорию на намного более высокой энергии и на скорости, более близкой к скорости света, чем это было сделано или даже возможно на Земле. В 1966, когда было сделано предсказание GZK, можно было наблюдать только космические лучи с энергиями намного ниже, чем предсказанная отсечка, но недавно были построены несколько инструментов, которые могут детектировать частицы космических лучей при или даже выше предсказанной отсечки. Один такой эксперимент, названный AGASA (по Akeno Giant Air Shower Array – Массив гигантских атмосферных ливней Акено), осуществленный в Японии, сообщает, по меньшей мере, о дюжине таких экстремальных событий. Энергия, заключавшаяся в этих событиях, превышает 3 х 10²⁰ электрон-вольт – грубо это равно энергии, которую подающий вкладывает в быстрый мяч в бейсболе, но вся она переносится одним протоном.

Эти события могут быть сигналом, что СТО нарушается при экстремальных энергиях. Сидни Колеман и Шелдон Глэшоу предположили в конце 1990х, что нарушение СТО могло бы повысить энергию, необходимую для создания пиона, таким образом, повышая энергию отсечки GZK и позволяя протонам более высоких энергий достигать детекторов на Земле.

Это не единственное возможное объяснение наблюдению таких высоко-энергичных протонов из космических лучей. Возможно, что они сами происходят близко от Земли, так что у них нет времени, чтобы быть замедленными через взаимодействие с космическим микроволновым фоном. Это можно было бы проверить, увидев, что протоны, о которых идет речь, прибывают из любого привилегированного места в небе. До сегодняшнего дня нет таких свидетельств, но возможность остается.

Есть также возможность, что эти экстремальные высоко-энергичные частицы совсем не являются протонами. Они могли бы быть пока не известными видами стабильных частиц, с массой, намного большей, чем у протона. Если это так, это тоже было бы крупное открытие.

Конечно, всегда возможно, что ошибочен эксперимент. Команда AGASA сообщает, что их измерения энергии точны с неопределенностью в 25 процентов, что является большим процентом ошибки, но все еще не достаточным, чтобы объяснить существование высоко-энергичных событий, которые они видят. Однако, их оценка степени точности их эксперимента тоже могла быть ошибочной.

К счастью, проводимый в настоящее время эксперимент разрешит рассогласования. Это Детектор космических лучей Аугера, уже запущенный в работу в пампасах западной Аргентины. Если детекторы Аугера подтвердят японские наблюдения, и если другие возможные объяснения могут быть опущены, это было бы самым важным открытием последних ста лет – первое нарушение основных теорий, содержащих в себе научную революцию двадцатого столетия.

Что означает наблюдать частицы космических лучей с такой экстремальной энергией? Когда частица такой энергии ударяется о верхние слои атмосферы, она производит ливень других частиц, которые проливаются вниз на площадь во много квадратных километров. Эксперимент Аугера состоит из сотен детекторов, занимающих более 3000 квадратных километров аргентинских пампасов. Также на этой площади несколько световых сенсоров высокого разрешения сканируют небо, чтобы захватить свет, произведенный ливнем частиц. Объединяя сигналы, полученные от всех этих детекторов, исследователи Аугера могут определить энергию исходной частицы, которая врезалась в атмосферу, точно так же, как направление, с которого она прибыла.

Как об этом пишут, обсерватория Аугера только выпустила свои первые данные. Хорошая новость, что эксперимент работает хорошо, но все еще не вполне достаточно данных, чтобы решить, имеется ли отсечка, предсказанная на основе СТО, или нет. Все еще разумно надеяться, что по истечении нескольких лет будет достаточно данных, чтобы решить проблему.

Даже если команда Аугера объявит, что СТО остается жизнеспособной, одна эта находка будет самой важной в фундаментальной физике за последние двадцать пять лет – это значит, со времен неудачи поиска распада протона (см. главу 4). Долгая темная эра, во время которой теория развивалась без руководства со стороны эксперимента, наконец, закончится. Но если Аугер откроет, что СТО не полностью верна, это возвестит приход новой эры в фундаментальной физике. Стоит уделить некоторое время, чтобы рассмотреть последствия такой революционной находки и куда она может привести.

14. Равняясь на Эйнштейна

Предположим, что проект Аугера или некоторый другой эксперимент покажет, что СТО Эйнштейна нарушается. Это будет плохой новостью для теории струн: Это означало бы, что первое великое экспериментальное открытие двадцать первого века было полностью неожиданным для самой популярной "теории всего". Теория струн предполагает, что СТО верна точно в том виде, как она была записана Эйнштейном сто лет назад. На самом деле важным достижением теории струн было сделать теорию струн согласующейся как с квантовой теорией, так и с СТО. Так что теория струн предсказывает, что независимо от того, как далеко находятся их источники друг от друга, фотоны с разными частотами путешествуют с одной и той же скоростью. Как мы видели, теория струн не делает много предсказаний, но это одно из них; фактически, это единственное предсказание теории струн, которое может быть проверено с помощью существующей технологии.

Что означало бы для предсказаний СТО быть фальсифицированными? Имеются две возможности. Одна в том, что СТО не верна, но другая возможность приводит к углублению СТО. На этом разграничении основывается история, возможно, самой удивительной новой идеи, появившейся в фундаментальной физике в последнее десятилетие.

Имеются несколько экспериментов, которые могли бы обнаружить нарушение или модификацию СТО. Эксперимент Аугера мог бы сделать это, но также это могли бы сделать наши наблюдения гамма-вспышек. Это гигантские взрывы, которые за несколько секунд могут произвести столько света, сколько излучает целая галактика. Как подразумевает название, большая часть этого света излучается в виде гамма-лучей, которые являются очень энергичной формой фотонов. Сигналы от этих взрывов достигают Земли в среднем около раза в день. Впервые они были обнаружены в конце 1960х военными спутниками, построенными для поиска нелегальных испытаний ядерного оружия. Сегодня они наблюдаются научными спутниками, чья цель и заключается в их обнаружении.

Мы не знаем точно, что является источником гамма-вспышек, хотя имеются правдоподобные теории. Они могут возникать от столкновения двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Каждая пара могла бы вращаться друг вокруг друга миллиарды лет, но такие системы нестабильны. Поскольку они излучают энергию в виде гравитационных волн, они очень медленно сближаются в направлении друг друга по спирали, пока, наконец, не столкнутся, породив самое неистовое и энергичное из известных событий.

СТО Эйнштейна говорит нам, что весь свет путешествует с одинаковой скоростью независимо от его частоты. Гамма-вспышки обеспечивают лабораторию для проверки этого утверждения, поскольку они дают очень короткую вспышку фотонов в широком диапазоне энергий. Самое важное, им могут потребоваться миллиарды лет, чтобы достичь нас, и в этом заключается сердцевина эксперимента.

Предположим, что Эйнштейн ошибся и фотоны с различными энергиями путешествуют со слегка различными скоростями. Если два фотона, созданные в одном и том же удаленном взрыве, достигли Земли за разные времена, это, несомненно, будет указывать на нарушение СТО.

Что могло бы подразумевать такое важное открытие? Это могло бы, в первую очередь, зависеть от физического масштаба, на котором происходит нарушение. Одна ситуация, когда мы ожидаем, что разрушение СТО происходит на планковской длине. Вспомним из предыдущих глав, что длина Планка составляет около 10–20 от размера протона. Квантовая теория говорит нам, что этот масштаб представляет порог, ниже которого классическая картина пространства-времени распадается. Эйнштейновская СТО является частью классической картины, так что мы можем ожидать, что она нарушится точно в этой точке.

Могут ли какие-нибудь эксперименты увидеть эффект нарушения структуры пространства и времени на планковском масштабе? С помощью современной электроники могут быть обнаружены очень мелкие разницы во временах прибытия фотонов, но достаточно ли современная электроника хороша, чтобы измерить даже еще более ничтожные эффекты квантовой гравитации? За десятилетия мы, теоретики, приучились, что планковская длина столь мала, что ни один осуществимый сегодня эксперимент не смог бы ее обнаружить. Точно так же большинство профессоров физики сотню лет назад были уверены, что атомы слишком малы, чтобы увидеть их, мы повторяли эту ложь в бесчисленных статьях и лекциях. Но это ложь.

Поразительно, это говорилось, пока в середине 1990х для нас не стало ясно, что мы на самом деле могли бы прозондировать масштаб Планка. Как временами происходит, несколько людей осознали это, но в итоге были отвергнуты, когда они попытались опубликовать свои идеи. Одним был испанский физик Луис Гонсалес-Местрес из Центра национальных научных исследований в Париже. Открытие, подобное этому, может быть сделано несколько раз независимо, пока кто-то не привлечет внимания сообщества специалистов, в известном смысле, навязав его. В данном случае это был Джованни Амелино-Камелиа из Университета Рима. Сейчас, разменяв свой пятый десяток лет, Амелино-Камелиа энергичен, сфокусирован и влюблен в физику, со всем шармом и огнем, ассоциирующимися с южной Италией. Квантово-гравитационное сообщество счастливо считать его своим членом.

Когда Амелино-Камелиа был постдоком в Оксфорде, он установил себе задачу поиска способа наблюдения физики на планковском масштабе. В то время это казалось совершенно сумасшедшей целью, но он вызвался доказать, что общепринятое знание неверно и можно достичь некоторого способа сделать это. Он был вдохновлен проверками распада протона. Распад протона (см. главу 4) был предсказан как экстремально редкое событие, но если вы соберете достаточно протонов вместе, вы могли бы ожидать увидеть его. Гигантское число протонов выполнило бы функцию усилителя, сделав видимым нечто экстремально малое и редкое. Вопрос, которым задался Амелино-Камелиа, был в том, а не мог бы какой-то такой усилитель помочь обнаружить явления на планковском масштабе.

Мы уже отмечали два примера успешного усиления: космические лучи и фотоны от гамма-вспышек. В обоих случаях мы использовали саму вселенную как усилитель. Ее огромные размеры очень сильно усиливают вероятность экстремально редких событий, а гигантское количество времени, которое нужно свету, чтобы пропутешествовать через нее, может усилить мельчайшие эффекты. На то, что эти виды экспериментов могли бы теоретически сигнализировать о нарушении СТО, внимание обращалось и ранее. Амелино-Камелиа открыл именно то, что мы могли бы на самом деле разработать эксперименты для зондирования планковского масштаба, а поэтому квантовой гравитации.

Типичное изменение в скорости фотона из-за квантовой гравитации должно было бы быть неправдоподобно малым, но эффект чрезвычайно усиливается за время его путешествия от гамма вспышки, которое может составлять миллиарды лет. Физики несколько лет назад осознали, используя грубые оценки размера эффектов квантовой гравитации, что промежуток времени между прибытиями фотонов с различной энергией, которые путешествовали так долго, мог бы составлять около 1/1000 секунды. Это мельчайший промежуток времени, но он хорошо попадает в область, которая может измеряться современной электроникой. На самом деле новейший детектор гамма-лучей, названный GLAST (Gamma Ray Large Area Space Telescope – Пространственный Гамма-лучевой Телескоп Большой Площади), имеет этот уровень чувствительности. Он запланирован к запуску летом 2007, и его результаты страстно ожидаются.

С того времени, как барьер был впервые пробит Амелино-Камелиа и его сотрудниками, мы открыли, что имеется множество способов зондирования планковского масштаба реальными экспериментами. Сумасшедший вопрос Амелино-Камелиа стал респектабельной областью науки.

Так предполагаемые новые экспериментальные результаты противоречат СТО на планковском масштабе. Что это могло бы сказать нам о природе пространства и времени?

Я упоминал в начале этой главы, что имеются две возможности. Мы уже обсуждали одну, которая состоит в том, что принцип относительности движения неверен – что означает, что мы должны на самом деле различать абсолютное движение от абсолютного покоя. Это было бы провал принципа, который был осью колеса физики со времен Галилея. Я лично нахожу эту возможность отвратительной, но, как ученый, я должен допускать, что это реальная возможность. На самом деле, если результаты AGASA, японского эксперимента по космическим лучам, подтвердятся, такое нарушение в СТО могло уже быть видно.

Но это единственная возможность? Большинство физиков, вероятно, могли бы сказать, что если фотоны с различными энергиями путешествуют с различными скоростями, то СТО неверна. Я определенно сказал бы так десять лет назад. Но я ошибся бы.

СТО Эйнштейна основывается на двух постулатах: Один есть относительность движения, а второй есть постоянство и универсальность скорости света. Может ли первый постулат быть верным, а второй ложным? Если это невозможно, Эйнштейн не стал бы выдвигать два постулата. Но я не думаю, что многие люди осознавали до недавнего времени, что вы можете получить последовательную теорию, в которой вы измените только второй постулат. Оказывается, что вы можете это сделать, и разработка этого была одной из самых возбуждающих вещей, в которых я имел счастье принимать участие на протяжении моей карьеры.

Новая теория названа деформированной или двойной СТО, для краткости DSR (deformed, doubly special relativity). Она возникла из простого вопроса, который кажется приводящим к парадоксу.

Как отмечалось, мы убеждены, что длина Планка есть своего рода порог, ниже которого обнаруживается новый вид геометрии, из тех, что по своей внутренней сути квантово-механический. Различные подходы к квантовой гравитации согласуются в одном: Планковская длина в некотором смысле есть размер минимальной вещи, которая может быть наблюдаема. Вопрос в том, будут ли все наблюдатели согласны с тем, что это самая короткая длина?

Согласно СТО Эйнштейна различные наблюдатели не согласуются по поводу длин движущихся объектов. Наблюдатель, совпадающий с метровой палкой, скажет, что ее длина метр. Но любой наблюдатель, двигающийся по отношению к первому, будет наблюдать ее более короткой. Эйнштейн назвал это феноменом сокращения длины.

Но это подразумевает, что не может быть такой вещи как "самая короткая длина". Не имеет значения, насколько коротким что-либо является, вы можете сделать его еще короче, начав двигаться относительно него со скоростью очень близко к скорости света. Таким образом, обнаруживается противоречие между идеей планковской длины и СТО.

Теперь вы можете подумать, что кто-то, профессионально вовлеченный в проблему квантовой гравитации, мог бы споткнуться об это противоречие. Вы можете даже подумать, что некоторый блестящий студент на первом курсе физфака поднял этот вопрос. Как никак, каждый выдающийся физик, отвечающий за самую тяжелую работу в теории струн и квантовой гравитации, однажды был наивным студентом. Не должны ли были, по меньшей мере, несколько из них увидеть эту проблему? Но, насколько мне известно, очень немногие это сделали до недавнего времени.

Один из них был Джованни Амелино-Камелиа. В некоторый момент в 1999 он пришел к только что описанному парадоксу, и он решил его. Его идея была в расширении рассуждений, которые привели Эйнштейна к СТО.

Второй постулат СТО, который говорит, что скорость света универсальна, оказывается почти противоречащим сам себе. Почему? Рассмотрим отдельный протон, отслеживаемый двумя наблюдателями. Предположим, что два наблюдателя двигаются по отношению друг к другу. Если они измеряют скорость этого отдельного протона, мы обычно ожидали бы, что они получат различные ответы, поскольку так ведут себя нормальные объекты. Если я вижу автобус, обгоняющий меня, что выглядит для меня, как будто он едет со скоростью 10 километров в час, поскольку я нахожусь в автомобиле, с визгом несущемся по автостраде при 140 километрах в час, наблюдатель, стоящий на обочине дороги, будет видеть автобус, двигающийся со скоростью 150 км/час. Но если я наблюдаю фотон при тех же условиях, СТО говорит, что придорожный наблюдатель измерит ту же самую скорость фотона, которую он имеет и по моему мнению.

Так почему здесь нет противоречия? Ключ в том, что мы не измеряем скорость непосредственно. Скорость есть отношение: Это определенное расстояние, отнесенное к определенному времени. Центральное прозрение Эйнштейна в том, что различные наблюдатели измеряют фотон, имеющий одну и ту же скорость, даже если они двигаются по отношению друг к другу, поскольку они различным образом измеряют пространство и время. Их измерения времени и расстояния изменяются от одного к другому таким образом, что одна скорость, а именно, световая, является универсальной.

Но если мы можем проделать это с одной константой, почему не можем с другой? Не могли бы мы сыграть тот же трюк с расстоянием? Это значит, мы понимаем, что в общем случае наблюдатели измеряют двигающуюся метровую палку как имеющую меньше метра в длину. Это будет верно для большинства длин, но не можем ли мы устроить вещи так, что, когда мы в конце получим любыми путями планковскую длину, эффект пропадет? Это означает, что если палка в точности планковской длины, все наблюдатели будут согласны с ее длиной, даже если она движется. Не можем ли мы тогда получить две универсальные величины, скорость и длину?

Эйнштейн сформировал первый трюк, поскольку ничто не может двигаться быстрее, чем свет. В мире имеются два вида вещей – вещи, которые двигаются со скоростью света, и вещи, которые двигаются медленнее, чем скорость света. Если один наблюдатель видит нечто, двигающееся медленнее скорости света, все наблюдатели будут видеть то же. А если один наблюдатель видит нечто, двигающееся точно со скоростью света, все наблюдатели тоже будут согласны с этим.

Идея Амелино-Камелиа была в том, чтобы сыграть ту же игру с длиной. Он предложил модифицировать правила, по которым измерения пространства и времени отличаются от одного наблюдателя к другому, так что если нечто имеет планковскую длину, тогда все наблюдатели будут согласны, что это имеет планковскую длину, а если оно длиннее, чем длина Планка, все наблюдатели будут согласны по этому поводу тоже. Эта схема может быть последовательной, поскольку ничто не может быть меньше для любого наблюдателя, чем длина Планка.

Амелино-Камелиа быстро нашел, что имеется модификация уравнений СТО Эйнштейна, которая реализует эту идею. Он назвал ее двойной СТО, поскольку трюк, который сделал относительность специальной, теперь был сыгран два раза. Я следил за его попытками придумать способ прозондировать планковский масштаб, но в 2000, когда он разослал препринт с идеей двойной СТО, я с первого раза ее не понял.

Это смущающее обстоятельство, но тут есть нечто даже еще более смущающее. Примерно десятью годами раньше я натолкнулся на совершенно тот же парадокс. Он возник в работе, которую я вел в теории квантовой гравитации, именуемой петлевая квантовая гравитация. Детали не важны – суть в том, что наши расчеты в петлевой квантовой гравитации оказались противоречащими СТО Эйнштейна. Теперь я понимаю, что те особые вычисления на самом деле противоречили СТО Эйнштейна. Но в то время такая возможность была слишком устрашающей для рассмотрения, и после борьбы с ней я прервал всю линию исследований. На самом деле это был первый в серии шагов, которые со временем привели меня к отказу от петлевой квантовой гравитации и к временной работе на теорию струн.

Но как только я прервал исследования, я подумал: возможно, СТО могла бы быть модифицирована так, что все наблюдатели, двигаются они или нет, согласятся, что планковская длина существует. Это была ключевая идея двойной СТО, хотя я не был достаточно одарен воображением, чтобы что-нибудь сделать по этому поводу. Я подумал об этом немного, не смог придать этому никакого смысла и перешел к чему-то другому. Даже увидев статью Амелино-Камелиа десятью годами позже, я не возвратился к этому. Я пришел к идее из другого направления. В то время я был приглашенным профессором в Империал Колледже в Лондоне, где познакомился с замечательным ученым по имени Жоао Магуэйджо, блестящим молодым космологом из Португалии, примерно того же возраста, что и Джованни Амелино-Камелиа, и с одинаково бурным латинским темпераментом.

Жоао Магуэйджо был известен своей реально сумасшедшей идеей, что свет двигался быстрее в очень ранней вселенной. Эта идея делает инфляцию не необходимой, поскольку она объясняет, как каждая область в ранней вселенной могла бы быть в причинном контакте с другими и, таким образом, быть при той же самой температуре. Тогда, чтобы осуществить это, могло и не быть необходимости в экспоненциальном расширении в самые ранние моменты.

Это прекрасно, но идея чокнутая – на самом деле чокнутая. Она не согласуется ни с СТО, ни с ОТО. Для нее нет другого слова, кроме как "еретическая". Однако, британский академический мир питает слабость к еретикам, и Магуэйджо процветал в Империал Колледже. Будь он в Соединенных Штатах, я сомневаюсь, что он с подобными идеями был бы приглашен на работу даже как постдок. Магуэйджо развивал свою идею в Империале вместе с молодым профессором по имени Андреас Альбрехт, который в качестве аспиранта в Университете Пенсильвании был одним из изобретателей инфляции. Альбрехт недавно покинул Англию, чтобы вернуться в Америку. После того, как я прибыл в Империал на несколько месяцев, я нашел Магуэйджо у моей двери. Он хотел увидеть, нет ли способа сделать его идею космологии с переменной скоростью света (variable speed of light – VSL) совместимой с СТО и ОТО. Каким-то образом он почувствовал, что разговор со мной мог бы помочь.

Я не знал в то время, что это уже было сделано. На самом деле вся VSL космология была разработана раньше одаренным профессором физики из Торонто Джоном Моффатом. Во много раз больший еретик, Моффат придумал идею и разработал ее способом, который был совместим и с СТО и с ОТО, но его предложение опубликовать его теорию в научном журнале встретило отказ.

Как Жоао рассказал эту историю в 2003 в своей книге Быстрее чем скорость света, он изучал труд Моффата, когда он и Альбрехт пытались опубликовать их собственную статью. Это характеризует Жоао, что его побуждением было записать Моффата в друзья – и, на самом деле, они остались близки. Он знал о труде Моффата к тому времени, когда начал разговор со мной, но я не думаю, что он понимал, что тот решил проблему, которую он пытался решить. Или, если понимал, ему не нравился путь, каким это было сделано.

Джон Моффат сейчас является моим другом и коллегой в Пограничном институте теоретической физики. Нет никого, кого бы я уважал больше за его смелость и оригинальность. Я также говорил, как сильно я восторгался Джованни Амелино-Камелиа за его открытие по поводу зондирования планковского масштаба. Так что мне больно признать, что Жоао и я проигнорировали труд их обоих. В известном смысле, то, что мы сделали, хорошо, ибо мы нашли отличающееся решение проблемы, как сделать переменную скорость света совместимой с принципами относительности. Я, определенно, не стал бы пытаться, если бы я знал, что проблема уже была решена – и не один раз, а дважды.

Жоао часто приходил ко мне с этой проблемой. Я всегда находил время, чтобы поговорить с ним, поскольку я был захвачен его энергией и его свежим способом видения физики. Но за многие месяцы я не задумывался очень глубоко о том, что он говорил. Поворотный пункт пришел, когда он показал мне старую книгу, в которой проблема обсуждалась. Это был учебник по ОТО выдающегося русского математического физика по имени Владимир Фок. Я знал некоторые работы Фока по квантовой теории поля (все физики их знают), но я никогда не видел его книги по относительности. Проблема Жоао заставила меня подумать о том, что было домашним заданием в книге Фока. Раз уж я увидел ее, я вспомнил мою идею десятилетней давности, и все вещи соединились вместе. Ключ был на самом деле в том, чтобы сохранить принципы СТО Эйнштейна, но изменить правила так, что все наблюдатели согласятся, что скорость света и планковский масштаб являются универсальными. На самом деле скорость, которая постоянна, больше не является скоростью всех фотонов, а только очень низкоэнергетических фотонов.

Сначала мы не видели, что делать с этой идеей. Мы имели историю с некоторыми кусками математики, но еще не полную теорию. Примерно в это время я предпринял путешествие с остановкой в Риме, где я потратил много часов, разговаривая с Джованни Амелино-Камелиа. Неожиданно я понял, что он говорил. Он пришел к той же самой идее, которую мы развивали, и он пришел к ней раньше и разработал ее первым. Тем не менее, на том пути, которым он разрабатывал идею, имелось много всего, чего я не понимал. Математика казалась трудной для понимания, и она оказалась завязанной на формализм, придуманный несколькими десятками лет ранее группой польских математических физиков – формализм, в который я определенно не смог проникнуть.

Мне потребовалось много лет, чтобы разобраться в математических тонкостях предмета. Я находил их непостижимыми, пока не начал читать ранние статьи английского математика Шена Маджида, который был одним из изобретателей квантовых групп. Его труд был тесно связан с математикой, которую использовала польская группа. Маджид начинал с некоторых воображаемых идей о том, как выразить в единой математической структуре существенные прозрения относительности и квантовой теории. Это привело его к квантовым группам (которые являются революционным расширением идеи симметрии), а затем к модификациям теории относительности на основе объекта, который мы называем некоммутативной геометрией. Его прозрения были в ядре математики, требуемой, чтобы ясно выразить теорию DSR, но они были затеряны – по меньшей мере, для меня – в запутанных статьях, где я впервые увидел их выраженными.

В любом случае Жоао и я проигнорировали математику и пытались говорить о физике. Наш прогресс был прерван моим отбытием в сентябре 2001 в Канаду, во вновь созданный Пограничный институт. Месяцем позже Жоао прибыл в Пограничный институт как его второй посетитель. Теория, наконец, встала на место в послеполуденное время после его прибытия. Мы работали в престижной части города Ватерлоо, в кафе с названием Симпозиум с комфортабельными диванами. У него были расстроены биоритмы в связи с перелетом через несколько часовых поясов. Я был травмирован и истощен, только что вернувшись после уикэнда в Нью-Йорке, следующего за событиями 11 сентября. Я впадал в апатию, когда говорил Жоао, затем просыпался и находил его дремлющим. Я вспоминал что-то, что он сказал, как я терял сознание, я набрасывал что-то на блокноте, затем опять впадал в спячку. Я просыпался, когда он начинал говорить, и мы имели несколько взаимно вразумительных минут, прежде чем он опять впадал в спячку. Так и прошло послеобеденное время, мы говорили, вычисляли и дремали по очереди. Я могу представить, что думал персонал кафе. Но в некоторый момент во время этого полудня мы случайно обнаружили ключевой фактор, который ускользал от нас в течение месяцев, заключающийся в замене импульсов на положения. Когда мы были готовы, мы изобрели вторую версию DSR, намного более простую, чем та, которую разработал Джованни Амелино-Камелиа. Теперь она известна у специалистов как DSR II.

Это и было, грубо говоря, то, что Жоао хотел. В нашей версии фотоны, которые имели больше энергии, путешествовали быстрее. Таким образом, в очень ранней вселенной, когда температура была очень высока, скорость света была, в среднем, быстрее, чем сегодня. Если вы идете еще дальше назад во времени, и температура подходит к планковской энергии, скорость света становится бесконечной. Потребовалось немного дольше повозиться, чтобы показать, что это привело к версии теории с переменной скоростью света, которая также согласуется с принципами общей теории относительности, но мы, в конечном счете, получили это тоже. Мы назвали эту теорию Гравитационной радугой в честь новеллы Томаса Пинчона.

"Двойная СТО" дурацкое название, но оно укоренилось. Идея элегантна, до настоящего времени много обсуждается и изучается. Мы не знаем, описывает ли она природу, но мы знаем о ней достаточно, чтобы полагать, что она могла бы.

Первые отклики на DSR былы не воодушевляющими. Некоторые люди говорили, что она непоследовательна; другие говорили, что она ничто иное как очень сложный способ записать эйнштейновскую СТО. Несколько человек критиковали теорию в обоих направлениях.

Мы ответили на второе критическое замечание, показав, что теория делает предсказания, отличающиеся от предсказаний СТО. Ключевая роль в этих дискуссиях была сыграна высококультурным фанатиком тяжелой металлической музыки по имени Джерзи Ковальски-Гликман из Варшавы. (Возможно, только европейцы могли бы в полном смысле слова быть ими обоими.) Я убежден, что он был первой персоной, которая на самом деле осмыслила то, что говорил Джованни Амелино-Камелиа; я определенно понял его статью, которая была краткой и кристалльно прозрачной, прежде чем я понял статью Джованни, которая была длинной, напечатанной мелким шрифтом и полной отступлений и деталей. Джерзи нашел несколько важных следствий двойной СТО, и именно он привел в порядок взаимосвязь между нашими попытками и более ранним математическим трудом его польских коллег.

Водоразделом в моем понимании DSR и того, как связаны различные подходы к ней, была дискуссия, которую мы имели однажды после обеда в доме моей подруги в Торонто. Джованни, Джерзи, Жоао и я сжались вокруг небольшого стола в ее узкой столовой в попытке добраться до дна наших разногласий и недопониманий. Джерзи спокойно настаивал, что если все имеет смысл, оно должно подходить к непротиворечивой математической структуре, которая для него означает некоммутативную геометрию, которую изучали он и его польские коллеги. Жоао говорил, что все, что делается в физике, должно быть понятно без причудливой математики. Джованни утверждал, что легко говорить бессмыслицы об этих теориях, если вы не позаботились о том, какие математические выражения соответствуют вещам, которые могли бы быть измерены. В некоторый момент – я не помню особый комментарий, который побудил его, – Джованни схватил огромный хлебный нож и взвыл: "Если то, что вы говорите, верно, я перережу себе глотку. Сейчас же!"

Мы уставились на него, и после мгновения шокированного молчания мы свалились в хохоте, так уж он сделал. Только затем каждый из нас был готов начать слушать то, что говорят другие.

Фактически, имелись различные версии DSR, которые давали различные предсказания. В некоторых имелась энергия, которую нельзя было превысить, аналогично максимальной скорости света. В других не было максимальной энергии, но был максимальный импульс. Это неудачно, так как это уменьшает предсказательную силу теории, но это, кажется, не портит последовательность теории, так что это нечто, с чем нам надлежит жить.

Непротиворечивость DSR была показана через демонстрацию, что имеется возможная вселенная, в которой она могла бы быть верна. Возможная вселенная подобна нашей собственной с одним отличием, которое в том, что пространство имеет только два измерения. В 1980е было открыто, что квантовая гравитация может быть точно определена в мире с только двумя пространственными измерениями. Мы называем это 2+1 квантовой гравитацией, для двух измерений пространства и одного времени. Более того, если там нет материи, теория может быть решена точно – то есть, можно найти точные математические выражения, которые отвечают на любой вопрос, который может быть задан о мире, который описывает теория.

Оказалось, что DSR верна в любом мире с двумя измерениями пространства, квантовой гравитацией и материей. Особая форма DSR, которая понята, была форма, оригинально открытая Джованни. Когда Джерзи и я просмотрели назад литературу, мы увидели, что некоторые люди находили свойства этого двумерного мира, которые являются аспектами DSR, но они сделали это до того, как концепция DSR была изобретена. Возбужденные, мы описали это Лауренту Фрейделю, коллеге по Пограничному институту из Франции, который работал над квантовой гравитацией. Он сказал нам, что он не только уже знает это, но и пытался поговорить об этом с нами ранее. Я согласен, это верно. В обсуждении Фрейдель имеет больше энергии, чем я, и я обычно перестаю понимать, о чем он говорит, на что он отвечает путем более быстрого и громкого разговора. В любом случае, мы написали вместе статью, которая объяснила, почему DSR должна быть верной во вселенных с двумя измерениями пространства.

Через некоторое время после этого Фрейдель в сотрудничестве с Этерой Ливин, постдоком в Пограничном институте из Французского Таити, показал в деталях, как DSR срабатывает в теории 2+1 мерной гравитации с материей. Это важные результаты, поскольку факт, что имеется модель возможного мира, где DSR верна, гарантирует последовательность теории.

Имеется еще одна проблема, которая должна была быть решена, прежде чем DSR могла бы рассматриваться как жизнеспособная теория. Как отмечалось, во многих версиях имеется максимум энергии, которую частица может иметь, которая обычно принимается за планковскую энергию. Это не есть экспериментальная проблема, поскольку самая большая энергия, которая наблюдалась, была энергия протона в детекторе космических лучей AGASA, которая составляла примерно миллиардную часть от максимума.

Но на первый взгляд кажется, что ограничение должно быть применимо к любым сортам тел: Не только электроны и протоны, но и собаки, звезды и футбольные мячи должны все иметь энергию меньше максимума. Это явно противоречит природе, поскольку любая система с более чем 10¹⁹ протонами имеет энергию больше планковской массы. Собаки имеют около 10²⁵ протонов, звезды даже еще больше. Мы называем это проблемой футбольного мяча.

Проблема футбольного мяча существует в двумерном мире, но нет необходимости решать ее там, поскольку мы не делаем экспериментов в этом мире. В этом мире просто верно, что любой объект имеет энергию меньше планковской, независимо от того, как много частиц его составляют.

Имеется естественное решение проблемы футбольного мяча, которое может сохраниться в нашем мире трех пространственных измерений. Жоао и я предложили это решение раньше. Идея в том, что тело имеет максимум энергии, которая есть одна энергия Планка на каждый протон, который тело содержит. Таким образом, футбольный мяч с примерно 10²⁵ протонами не может иметь энергию больше, чем 10²⁵ планковских энергий. Тогда нет проблем с наблюдениями.

Мы могли бы увидеть, что это решение могло бы работать, но мы не знаем, почему оно должно быть правильным. Объяснение недавно было дано Этерой Ливин и Флорианом Джирелли, другим постдоком из Франции в Пограничном институте. Они нашли изумительный способ переформулировать теорию так, что это решение выпадает. Теперь, когда проблема футбольного мяча решена, нет препятствий, насколько я знаю, чтобы DSR была верна для нашего мира. Она может быть хорошо подтверждена наблюдениями Аугера и GLAST, которые будут сделаны в следующие несколько лет; если нет, это, по меньшей мере, покажет ее ложность, что означает, что DSR является настоящей научной теорией.

Теперь мы можем вернуться к вопросу о том, какие последствия могли бы быть для различных теорий квантовой гравитации, если СТО нарушается. Мы видели, что такое нарушение может означать две различных вещи, в зависимости от того, что нам говорит эксперимент. СТО могла бы нарушиться полностью на этом масштабе, что реально означало бы, что там имеется абсолютное различие между движением и покоем. Или СТО могла бы сохраниться, но углубиться, как в DSR.

Могла бы теория струн пережить оба изменения? Определенно, все известные теории струн должны были бы оказаться ложными, поскольку они очень сильно зависят от сохранения СТО. Но может все же быть, что имеется версия теории струн, которая могла бы быть последовательной при обоих типах нарушения? Некоторые струнные теоретики убеждали меня, что даже если СТО оказалась бы нарушенной или модифицированной, когда-нибудь может быть изобретена форма теории струн, которая смогла бы приспособить все, что бы ни увидел эксперимент. Они, возможно, правы. Теория струн, как отмечалось, имеет много ненаблюдаемых областей. Имеется множество путей изменить фон теории струн так, что останется преимущественное состояние покоя, так что относительность движения будет неправильной. Вообще, таким образом можно было бы сконструировать версию теории струн, которая согласна с экспериментом.

Как насчет DSR? Могла бы иметься версия теории струн, совместимая с ней? Как было написано, Жоао Магуэйджо и я являемся единственными людьми, кто исследовал этот вопрос, и свидетельства, которые мы получили, двойственны. Мы смогли сконструировать теорию струн, которая удовлетворяет некоторым тестам согласованности, но мы не преуспели в поиске ясного ответа в отношении других тестов.

Итак, хотя все известные версии теории струн согласуются с СТО, может также быть, что, если СТО окажется недействительной, струнные теоретики могут быть в состоянии приспособиться к такому открытию. Что удивляет меня, так это почему струнные теоретики думают, что это поможет их делу. Для меня есть много указаний, что теория струн не в состоянии сделать любое предсказание, поскольку она не более, чем коллекция теорий, по одной для каждого из громадного числа возможных фонов. Вопрос, являющийся предметом наблюдений GLAST и Аугера, заключается в симметрии пространства и времени. В фоново-зависимой теории это решается выбором фона. Пока теория позволяет это, вы можете получить любой ответ, какой вам нужно получить, путем выбора подходящего фона. Это сильно отличается от формирования предсказаний.

Что насчет других подходов к квантовой гравитации? Предсказывает кто-либо нарушение СТО? В фоново-независимой теории ситуация сильно отличается, поскольку геометрия пространства-времени не определяется выбором фона. Эта геометрия должна возникать как следствие решения теории. Фоново-независимый подход к квантовой гравитации должен делать истинное предсказание по поводу симметрии пространства и времени.

Как я обсуждал ранее, если мир имеет два измерения пространства, мы знаем ответ. Там нет свободы; вычисления показывают, что частицы ведут себя в соответствии с DSR. Может ли то же самое быть верным для реального мира с тремя пространственными измерениями? Моя интуиция говорит, что могло бы, и мы имеем результаты в петлевой квантовой гравитации, которые обеспечивают подтверждение, но еще не доказательство, этой идеи. Моя самая необоснованная надежда в том, что этот вопрос может быть урегулирован быстро, прежде чем наблюдения скажут нам, что верно. Было бы чудесно получить реальное предсказание квантовой теории гравитации, а затем показать, что оно ложно недвусмысленным наблюдением. Единственная вещь, которая была бы еще лучше, это если эксперимент подтвердил бы предсказание. В обоих случаях мы делали бы реальную науку.

15. Физика после теории струн

В последних двух главах мы показали, что имеются основания ожидать значительного прогресса в поиске законов природы. Имеются указания, что удивительные экспериментальные открытия могут быть прямо за углом. И далеко идущее расширение теории относительности предлагает предсказания для осуществляемых экспериментов. Верна двойная СТО или нет, это реальная наука, поскольку эксперименты, которые сейчас на полном ходу, или подтвердят, или отвергнут ее основные предсказания.

Теоретики и экспериментаторы, чью работу я описывал в последних двух главах, уже торжественно открыли пост-струнную эру в фундаментальной физике. В этой главе я предприму с вами тур по этому новому миру, освещая самые многообещающие идеи и разработки. Заглянув за пределы теории струн, мы найдем благотворное возрождение фундаментальной теории, сделанное старым способом – через тяжелое, сконцентрированное размышление об основных вопросах, заботливое по отношению как к математике, так и к экспериментальной физике. Во всех пограничных областях – квантовой гравитации, основаниях квантовой физики, физике элементарных частиц и космологии – смелые новые идеи развиваются в тандеме с захватывающими новыми экспериментами. Эти инициативы должны быть взращены, или они умрут незрелыми, но они показывают большие перспективы.

Начнем с области, в которой мы видели быстрый прогресс: с подходов к квантовой гравитации, которые, скорее, включают в себя великое открытие Эйнштейна, что геометрия пространства-времени является динамической и зависящей от обстоятельств, чем уклоняются от него..

Как я несколько раз подчеркивал, недостаточно иметь теорию с гравитонами, сделанными из струн, шевелящихся в пространстве. Нам нужна теория о том, что составляет пространство, независимая от фона теория. Как описывалось ранее, успех ОТО демонстрирует, что геометрия пространства не фиксирована. Она является динамической и эволюционирует во времени. Это основное открытие, которое не может быть отменено, так что любая будущая теория должна заключать его в себе. Теория струн этого не делает, так что, если теория струн обоснована, за ней должна лежать более фундаментальная теория – которая является фоново-независимой. Другими словами, обоснована теория струн или нет, мы все еще должны открыть независимую от фона теорию квантовой гравитации.

К счастью, благодаря трудам последних двадцати лет мы многое знаем о том, как построить такую теорию. Область фоново-независимых подходов к квантовой гравитации берет начало с 1986, точно через два года после первой революции теории струн. Катализатором была публикация физика-теоретика Абэя Аштекара, тогда работавшего в Сиракузском университете, о переформулировке ОТО, которая делает ее уравнения намного проще. Достаточно интересно, он сделал это, выразив теорию Эйнштейна в форме, очень близкой к форме калибровочных теорий – теорий, лежащих в основе стандартной модели физики частиц.

К сожалению, большинство струнных теоретиков не уделило внимания выдающемуся прогрессу, сделанному в области квантовой гравитации за эти последние двадцать лет, так что две области развивались отдельно друг от друга. Это отсутствие контактов может показаться странным постороннему. Оно определенно кажется странным мне, поэтому я делал все, от меня зависящее, чтобы изменить его, убеждая каждое сообщество в достоинствах другого. Но я не могу сказать, что я достиг большого успеха. Отказ людей, которые работают над одной и той же проблемой с разных точек зрения, общаться друг с другом является частью того, что привело меня к уверенности, что физика находится в кризисе – и к тяжелым раздумьям о том, как ее спасти.

Вся атмосфера области квантовой гравитации отличается от атмосферы теории струн. Тут нет гранидиозных теорий, нет прихотей или моды. Здесь есть просто немного очень хороших людей, тяжело работающих над несколькими тесно связанными идеями. Имеется несколько направлений исследований, но имеются также некоторые объединяющие идеи, что придает этой области слаженность в целом.

Главная объединяющая идея проста для постановки: не стартовать с пространства или с чего-либо, движущегося в пространстве. Стартовать с чего-либо, что является чисто квантово-механическим и имеет, вместо пространства, некоторый вид чисто квантовой структуры. Если теория верна, тогда пространство должно возникать, представляя некоторые усредненные свойства структуры, – в том же смысле, как температура возникает как представление усредненного движения атомов.

Таким образом, многие квантово-гравитационные теоретики уверены, что имеется более глубокий уровень реальности, на котором пространство не существует (это есть доведение фоновой независимости до ее логического предела). Поскольку теория струн требует существования фоново-независимой теории, чтобы иметь смысл, многие струнные теоретики указывали, что они согласны. В определенном ограниченном смысле, если сильная форма предположения Малдасены (см. главу 9) окажется верной, девятимерная геометрия возникнет из фиксированной трехмерной геометрии. Таким образом, не удивительно слышать слова Эдварда Виттена, которые он недавно произнес в Институте теоретической физики Кавли в Университете Калифорнии, Санта Барбара, что "большинство струнных теоретиков допускают, что пространство-время является "эмерджентным феноменом" на языке физики конденсированной материи."

Некоторые струнные теоретики, наконец, начали принимать во внимание этот момент, и можно только надеяться, что они доведут до конца изучение конкретных результатов, которые уже были получены. Но, фактически, большинство людей в квантовой гравитации имеют в виду нечто более радикальное, чем предположение Малдасены.

Начальная точка не имеет ничего общего с геометрией. Что имеют в виду многие из нас, когда мы говорим, что пространство является эмерджентным, это что континуум пространства является иллюзией. Точно так же, как кажущаяся гладкость воды или шелка скрывает факт, что вещество сделано из дискретных атомов, мы полагаем, что гладкость пространства не является реальным и что пространство возникает как приближение чего-то, состоящего из строительных блоков, которые мы можем оценить. В некоторых подходах просто предполагается, что пространство сделано из дискретных "атомов"; в других это предположение строго выводится путем комбинирования принципов ОТО и квантовой теории.

Другая объединяющая идея заключается в важности причинности. В ОТО пространственно-временная геометрия говорит лучам света, как распространяться. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, раз уж вы знаете, как распространяется свет, вы можете определить, какие события могут быть причиной отдельных событий. Если даны две происходящие вещи, первая может быть причиной второй, только если частица, распространяющаяся от первой ко второй, движется со скоростью света или медленнее, чем скорость света. Таким образом, пространственно-временная геометрия содержит информацию о том, какие события являются причиной каких других событий. Об этом говорят, как о причинной структуре пространства-времени.

Дело не только в том, что пространственно-временная геометрия определяет, чем являются причинные связи. Это может быть перевернуто: причинные связи могут определять пространственно-временную геометрию, поскольку большая часть информации, которая вам нужна, чтобы определить геометрию пространства-времени, фиксирована, если вы знаете, как перемещается свет.

Легко говорить о пространстве или пространстве-времени, возникающем из чего-то более фундаментального, но те, кто попытался развить эту идею, нашли ее трудной для реализации на практике. На самом деле несколько ранних подходов потерпели неудачу. Мы теперь уверены, что они потерпели неудачу потому, что они игнорировали роль, которую причинность играет в пространстве-времени. Сегодня многие из нас, работая над квантовой гравитацией, уверены, что причинность сама является фундаментальной – и, таким образом, имеет смысл даже на уровне, где понятия пространства и времени исчезают.

Самые успешные на сегодняшний день подходы к квантовой гравитации объединяют эти три базовые идеи: что пространство является эмерджентным, что более фундаментальное описание дискретно и что это описание содержит причинность в некотором фундаментальном смысле.

Текущее изучение квантовой гравитации в некоторых отношениях аналогично физике столетней давности, когда люди были уверены в атомах, но не знали деталей атомной структуры. Но, несмотря на это неведение, Людвиг Больцман, Эйнштейн и другие смогли довольно много понять о веществе, используя только факт, что оно состоит из атомов. Ничего больше не зная, кроме приблизительного размера атома, они даже смогли сделать предсказания наблюдаемых эффектов. Аналогично, мы смогли вывести важные результаты из простых моделей, основанных только на трех принципах эмерджентности, дискретности и причинности. Фиксируя наше незнание деталей, эти модели делают простейшие возможные предположения о дискретных единицах пространства-времени, а затем смотрят, что из них может получиться.

Самая успешная из этих моделей была придумана Ренатой Лолл и Яном Aмбьорном и названа причинными динамическими триангуляциями. Это, возможно, слишком техническое название для подхода с очень простой стратегией, которая заключается в представлении базовых причинных процессов простыми строительными блоками, которые на самом деле выглядят как кубики, с которыми играют дети (см. Рис. 14). Это может быть названо подходом Бакминстера Фуллера. Главная идея в том, что пространственно-временная геометрия выстроена в виде кучи большого количества блоков, каждый из которых представляет простой причинный процесс. Имеется несколько простых правил, которые управляют тем, как блоки могут свалиться в кучу, и простая формула, которая дает квантово-механическую вероятность для каждой такой модели квантового пространства-времени.

Одно из правил, которые постулировали Лолл и Эмбьорн, заключается в том, что каждое квантовое пространство-время должно рассматриваться как последовательность возможных пространств, которые сменяются одно за другим, подобно тиканию универсальных часов. Утверждается, что временная координата произвольна, как и в ОТО, но факт, что история мира может рассматриваться как последовательность геометрий, которые сменяют одна другую во времени, отсутствует.

Задавая это ограничение плюс несколько простых правил, они получили существенное свидетельство, что классическое пространство-время с его тремя измерениями пространства и одним времени возникает из простой игры по собиранию кубиков. Это до сих пор лучшее свидетельство в фоново-независимой квантовой теории гравитации, что классическое пространство-время с тремя измерениями пространства может появляться из чисто квантового мира, основанного только на дискретности и причинности. В особенности, Амбьорном и другими было показано, что если не установлено ограничение в отношении причинности, то классическая пространственно-временная геометрия не возникает.

Одним из следствий этих результатов было то, что большинство широко распространенных идей по поводу квантовой гравитации, фактически, были неправильными. Например, Стивен Хокинг и другие использовали утверждение, что причинная структура является несущественной, и что вычисления в квантовой гравитации могут быть проведены при игнорировании разницы между временем и пространством – разницы, которая существует даже в теории относительности, – и трактовке времени, как если бы оно было просто другим измерением пространства. Это Хокинг и имел в виду в тех таинственных заявлениях в своей книге Краткая история времени, что время является "воображаемым". Результаты Амбьорна и Лолл показывают, что эта идея неверна.

До их работы некоторые люди исследовали идею, что фундаментальные строительные кирпичики пространства-времени должны содержать причинность, но никто не дошел до теории, из которой можно было бы показать появление классического пространства-времени. Одна такая формулировка, названная теорией причинного ряда, выбирала фундаментальные единицы пространства-времени в виде голых событий, чьими единственными атрибутами были списки других событий, которые могли бы быть их причиной и причиной которых могли бы быть они. Эти идеи были даже проще, чем модели Лолл и Амбьорна, поскольку тут не было требования глобальной последовательности во времени. До сих пор было невозможно показать возникновение классического пространства-времени из этой теории.

Однако имелся один важный триумф теории причинного ряда, который заключался в том, что она, кажется, решила проблему космологической константы. Путем простого предположения, что классический мир возникает из теории причинного ряда, физик Сиракузского университета Рафаэль Д. Соркин и его сотрудники предсказали, что космологическая константа должна быть примерно столь же мала, как впоследствии и показали наблюдения. Насколько я осведомлен, до сегодняшнего дня это единственное чистое решение проблемы космологической константы. Одно это решение плюс добавление теории, базирующейся на таких простых предположениях, делает это исследовательской программой, которая заслуживает продолжения поддержки.

Английский математический физик Роджер Пенроуз также предложил подход к квантовому пространству-времени, базирующийся на принципе, что на самом деле фундаментальными являются отношения причинности. Его подход называется теорией твисторов. Он и несколько приверженцев работали над ним с 1960х. Подход базируется на обращении обычного способа рассмотрения событий в пространстве-времени. Традиционно рассмативают, что происходит как исходное, и взаимоотношения между ним и тем, что происходит как вторичное. Таким образом, события реальны, а причинные взаимоотношения между событиями являются просто свойствами событий. Пеонроуз нашел, что этот способ взгляда на вещи может быть перевернут. Вы можете принять элементарные причинные процессы как фундаментальные, а затем определять события в терминах соответствий между причинными процессами. Более точно, вы можете создать новое пространство, состоящее из всех световых лучей в пространстве-времени. Затем вы можете перенести всю физику в это пространство световых лучей. Результатом является немыслимо красивая конструкция, которую Пенроуз назвал пространством твисторов.

Первые двадцать лет после того, как Пенроуз ее предложил, теория твисторов быстро развивалась. Удивительным и красивым образом многие из основных уравнений физики смогли быть переписаны в терминах пространства твисторов. На самом деле казалось, как если бы вы могли рассматривать световые лучи как самые фундаментальные вещи, а пространство и время просто как аспекты отношений между ними. Тут имелся также прогресс в унификации, поскольку уравнения, описывающие разные виды частиц, приобретали одну и ту же простую форму, когда записывались в терминах пространства твисторов. Теория твисторов частично реализовала идею, что пространство-время может возникать из другой структуры. События нашего пространства-времени оказываются определенными поверхностями, подвешенными в пространстве твисторов. Геометрия нашего пространства-времени также возникает из структуры пространства твисторов.

Но с этой картиной имеются проблемы. Главная из них в том, что пространство твисторов понято только в отсутствие квантовой теории. И, хотя пространство твисторов очень отличается от пространства-времени, оно является гладкой геометрической структурой. До сих пор никто не знает, на что похоже квантовое пространство твисторов. Имеет ли смысл квантовая теория твисторов и будет ли возникать из него пространство-время, еще нужно показать.

Центром теории твисторов в 1970е был Оксфорд, и я был одним из многих, кто выкраивал время, чтобы провести его здесь. Я находил тут пьянящую атмосферу, не похожую на атмосферу, которая позже выработалась в центрах по струнной теории. Пенроузом глубоко восхищались, как будут позже Эдвардом Виттеном. Я сталкивался с экстремально талантливыми молодыми физиками и математиками, которые пылко верили в теорию твисторов. Некоторые пришли к известности как математики.

Теория твисторов определенно привела к важным успехам в математике. Она дала нам более глубокое понимание некоторых важных уравнений физики, включая главные уравнения теории Янга-Миллса, которые являются основой стандартной модели физики частиц. Теория твисторов также дала нам глубокое и ошеломляюще красивое понимание определенного набора решений ОТО Эйнштейна. Эти прозрения оказались важными в некоторых других разработках, включая петлевую квантовую гравитацию.

Но теория твисторов до сих пор не развилась в жизнеспособный подход к квантовой гравитации – главным образом, потому, что она не нашла способа включить в себя большую часть ОТО. Однако, Пенроуз и несколько коллег все еще не отбрасывают ее. И несколько струнных теоретиков, возглавляемых Виттеном, недавно начали работать над ней, привнеся в пространство твисторов некоторые новые методы, которые быстро двинули вещи вперед. Этот подход до настоящего времени не помог теории твисторов развиться в квантовую теорию гравитации, но он революционизировал изучение калибровочных теорий – указание, если это кому-нибудь нужно, на то, что было ошибкой так долго пренебрегать теорией твисторов.

Роджер Пенроуз не единственный первоклассный математик, который придумал свой собственный подход к квантовой гравитации. Возможно, величайший из живущих математиков – и, определенно, самый странный – это Ален Конне, который является сыном руководителя детективов из Марселя и работает большую часть своей жизни в Париже. Я люблю разговаривать с Аленом. Я не всегда понимаю всего, что он говорит, но я ухожу с головокружением как от глубины его идей, так и от абсурдности его шуточек. (К этому склоняются все разговоры, даже когда они идут о черных дырах или ужасных многообразиях Калаби-Яу.) Однажды он прервал выступление на конференции по квантовой космологии требованием, чтобы для оказания почтения мы все должны вставать всякий раз, когда упоминается вселенная. Но если я не всегда понимаю Алена, он всегда понимает меня; он один из тех людей, которые думают так быстро, что они заканчивают ваше высказывание за вас и постоянно усовершенствуют то, о чем вы собирались говорить. Еще он настолько расслаблен и уверен в себе и своих идеях, что в нем нет ни грамма соперничества, и он проявляет искреннее любопытство к идеям других.

Подход Алена к квантовой гравитации восходил к основам и к изобретению новой математики, которая полностью объединяет математические структуры геометрии и квантовую теорию. Это математика, на которую я ссылался в главе 14, названа некоммутативной геометрией. Слово "некоммутативная" указывает на тот факт, что величины в квантовой теории представляются объектами, которые не коммутируют: То есть, АВ не равно ВА. Некоммутативность квантовой теории тесно связана с фактом, что вы не можете измерить положение частицы и ее импульс одновременно. Но это кажется противоречащим сущности геометрии, которая стартует от наглядного образа поверхности. Именно способность формировать наглядный образ подразумевает полную определенность и полное знание. Сделать версию чего-то, подобного геометрии, построенной на вещах, которые не могут быть известны одновременно, на самом деле являлось основательным шагом. Что убеждает в ней, так это то, что она предлагает новую унификацию некоторых областей математики, одновременно продвигаясь вперед как подходящая математика для следующего этапа в физике.

Некоммутативная геометрия обнаруживалась в нескольких подходах к квантовой гравитации, включая теорию струн, DSR и петлевую квантовую гравитацию. Но ни один подход не охватил глубины оригинальной концепции Конне, которую он и несколько математиков, большей частью во Франции, продолжают развивать. Различные ее версии, которые появляются в других программах, основываются на поверхностных идеях, таких как выразить координаты пространства и времени в некоммутативных величинах. Идея Конне намного глубже; она заключается в унификации оснований алгебры и геометрии. Она могла бы быть изобретением только того, кто не просто изучает математику, но стратегически и творчески мыслит по поводу структуры математического знания и его будущего.

Подобно старым твисторным теоретикам, несколько последователей, которыми обзавелся Конне, являются его ярыми сторонниками. Для конференции по различным подходам к квантовой гравитации в Университете штата Пенсильвания Ален порекомендовал известного старейшего французского физика по имени Дэниэл Кастлер. Джентльмен за неделю до конференции прервал свое путешествие, попав в велокатастрофу, но он выкарабкался из госпиталя и добрался до Марсельского аэропорта, прибыв точно вовремя, чтобы открыть заседание следующим заявлением: "Имеется один истинный Ален, и я пророк его". Струнные теоретики являются не единственными, кто имеет своих истинных верующих, но некоммутативные геометры, несомненно, имеют лучшее чувство юмора.

Один из успехов некоммутативной геометрии в том, что она приводит непосредственно к стандартной модели физики частиц. Как открыли Ален и его коллеги, если вы берете максвелловскую теорию электромагнетизма и записываете ее в простейшей возможной некоммутативной геометрии, выскакивает модель Вайнберга-Салама, объединяющая электромагнетизм со слабыми ядерными силами. Другими словами, слабые взаимодействия вместе с Хиггсовыми полями обнаруживаются автоматически и корректно.

Вспомним из главы 2, что один из способов сказать, является ли особое объединение успешным, заключается в том, что там немедленно появляется обоснование, что теория согласуется с природой. Тот факт, что правильная унификация слабой и электромагнитной сил происходит из простейшей версии идеи Конне, является неотразимым. Это разновидность вещи, которая могла бы произойти с теорией струн, но не произошла.

Имеется другой набор подходов, которые фокусируются на том, как могли бы классическое пространство-время и физика частиц возникнуть из лежащей в основании дискретной структуры. Эти модели разрабатывались физиками из теории конденсированной материи, такими как Роберт Лафлин из Стэнфорда, Григорий Воловик из Хельсинского технологического университета и Ксао-Гань Вэн из Массачусетского технологического института. Недавно эти подходы были подхвачены молодыми людьми в квантовой гравитации, такими как Олаф Дрейер. Эти модели примитивны, но они показывают, что аспекты СТО, такие как универсальность и верхний предел скорости, могут появляться из определенных видов дискретных квантовых систем. Одно провокационное утверждение Воловика и Дрейера заключается в том, что проблема космологической константы решена – поскольку, прежде всего, она никогда не была на самом деле проблемой. Они утверждают, что идея, что здесь была проблема, была ошибкой, следствием слишком серьезного восприятия фоново-зависимых теорий. Ошибка, утверждают они, возникает из разделения на части основных переменных теории и трактовки некоторых из них как замороженного фона, а других как квантовых полей. Если они правы в отношении этого, это будет самым важным результатом, который был получен от квантовой гравитации за много лет.

Все подходы, которые я описал, являются независимыми от фона. Некоторые начинают с предположения, что пространство-время составлено из дискретных строительных кирпичиков. Одному подходу удалось сделать лучше и показать, что дискретность пространства и времени является следствием соединения вместе принципов квантовой теории и теории относительности. Это то, чего достигла петлевая квантовая гравитация. Она так и начала с революционной переформулировки Аштекаром эйнштейновской ОТО в 1986. Мы нашли, что, не добавляя входных данных, но просто переписав теорию Эйнштейна в терминах нового набора переменных, стало возможным точно вывести, что такое квантовое пространство-время.

Ключевая идея, стоящая за петлевой квантовой гравитацией, на самом деле стара, что мы уже обсуждали в главе 7. Это идея описания поля, подобного электромагнитному полю, прямо в терминах линий этого поля. (Слово "петлевая" возникает из того факта, что в отсутствие вещества линии поля могут замыкаться, формируя петли.) Это было предвидение Хольгера Нильсена, Александра Полякова и Кеннета Вильсона, и это была одна из идей, которая привела к теории струн. В своей основе теория струн является развитием этой провидческой идеи в контексте фиксированного фона пространства и времени. Петлевая квантовая гравитация есть та же самая идея, но развитая в полностью фоново-независимой теории.

Этот труд стал возможным благодаря великому открытию Аштекара, что ОТО могла бы быть выражена на языке, подобном языку калибровочных полей. Метрика пространства-времени тогда оказывается чем-то подобным электрическому полю. Когда мы пытаемся рассмотреть соответствующие силовые линии квантово-механически, мы вынуждены рассматривать их без фона, поскольку его нет – полевые линии уже описывают геометрию пространства. Раз уж мы сделали их квантово-механически, классической геометрии не остается. Так что мы заново изобрели квантовую теорию поля, чтобы работать без фоновой метрики. Чтобы сократить длинную историю, это пытались сделать многие люди с различными уровнями по физике и математике, но мы преуспели. Результат является петлевой квантовой гравитацией.

Итоговая картина очень проста. Квантовая геометрия есть определенный вид графа (см. Рис. 15). Квантовое пространство-время есть последовательность событий, по которым эволюционирует граф через локальные изменения в своей структуре. Это лучше всего иллюстрируется примерами, которые показаны на Рис. 16.

Теория приводит ко многим успехам. Она оказывается конечной в трех смыслах:

1. Квантовая геометрия конечна, так что площади и объемы выражаются в дискретных единицах.

2. Когда вы вычисляете вероятности для квантовой геометрии эволюционировать в направлении различных историй, они всегда предстают конечными (по меньшей мере, в определенной формулировке теории, именуемой моделью Барретта-Гране).

3. Когда теория присоединяется к главной теории, такой как стандартная модель физики частиц, бесконечности, которые исходно возникают, переводятся в конечные величины: то есть, без гравитации вы должны проводить специальную процедуру, чтобы изолировать бесконечные выражения и перевести их в разряд ненаблюдаемых; с гравитацией просто нет бесконечных выражений.

Нужно подчеркнуть, что тут нет неопределенности, связанной с предварительными установками. Главные результаты петлевой квантовой гравитации обеспечиваются строгими теоремами.

Самый большой вызов, который с самого начала стоял перед петлевой квантовой гравитацией, заключался в объяснении, как возникает классическое пространство-время. В последние несколько лет был достигнут важный прогресс в этой проблеме, частично благодаря изобретению новых приблизительных процедур. Они показали, что теория имеет квантовые состояния, описывающие вселенные, где геометрия является в хорошем приближении классической. Важный шаг был предпринят год назад Карло Ровелли из Центра теоретической физики в Марселе и его коллегами, они нашли строгое подтверждение, что петлевая квантовая гравитация предсказывает, что две массы должны притягиваться друг к другу в точности тем образом, как это установлено законом Ньютона. Эти результаты также указывают, что при низких энергиях теория имеет гравитоны, так что петлевая квантовая гравитация на самом деле является теорией гравитации.

Сегодня предпринимается много усилий, чтобы применить петлевую квантовую гравитацию к явлениям реального мира. Имеется точное описание горизонта черной дыры, в рамках которого получается правильная энтропия. Эти результаты согласуются со старыми предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, что черные дыры имеют энтропию и температуру (см. главу 6). Как я писал, одной из горячих тем среди аспирантов и постдоков является предсказание модификаций результата Хокинга для термодинамики черных дыр, которые, когда будут измерены при некотором будущем изучении физической черной дыры, смогли бы подтвердить или фальсифицировать петлевую квантовую гравитацию.

Петлевая квантовая гравитация является также основой для моделей, которые позволяют изучать сильно изменяющиеся во времени геометрии внутри черных дыр. Несколько вычислений дают свидетельство, что сингулярности внутри черных дыр удаляются. Таким образом, время может продолжаться и за пределами точки, в которой классическая ОТО предсказывает, что оно должно закончиться. Где это происходит? Это, кажется, происходит внутри вновь созданных областей пространства-времени. Сингулярность заменяется тем, что мы называем пространственно-временным отскоком. Прямо перед отскоком материя внутри черной дыры сжимается. Сразу после отскока она расширяется, но внутрь нового региона, который не существовал ранее. Это очень удовлетворительный результат, так как он подтверждает ранние рассуждения Брюса ДеВитта и Джона Арчибальда Уилера. Та же самая техника использовалась, чтобы изучить, что происходит в самой ранней вселенной. И опять теоретики нашли подтверждение, что сингулярность устраняется, что означает, что вселенная существовала и до Большого Взрыва.

Устранение сингулярности в черных дырах обеспечивает естественный ответ на информационный парадокс Хокинга для черных дыр. Как отмечалось в главе 6, информация не теряется; она переходит в новый регион пространства-времени.

Проверка того, что петлевая квантовая гравитация дает нам по поводу очень ранней вселенной, заключается в возможности рассчитать предсказания для реальных наблюдений. Два постдока в Пограничном институте, Стефан Хофманн и Оливер Винклер, недавно смогли вывести точные предсказания для квантово-гравитационных эффектов, которые могут быть обнаружены в будущих наблюдениях космического микроволнового фона.

Теоретики также заняты попытками предсказать, что мы можем увидеть в экспериментах Аугера и GLAST, оба из которых укажут, нарушается ли СТО при планковских энергиях. Одно из великих преимуществ фоново-независимых подходов заключается в их способности делать предсказания для таких экспериментов. Сохраняется или нарушается принцип относительности инерциальных систем отсчета? Модифицируется ли он, как в теориях DSR? Как я подчеркивал, ни одна фоново-зависимая теория не может делать реальные предсказания для этих экспериментов, поскольку ответ на вопрос уже получен выбором фона. Теория струн, в особенности, предполагает, что относительность инерциальных систем остается верной в исходной форме, которую дал Эйнштейн в СТО.

Только фоново-независимые подходы могут сделать предсказание о судьбе принципов СТО, поскольку свойства классического пространства-времени возникают как решение динамической проблемы.

Петлевая квантовая гравитация обещает быть способной делать уверенные предсказания. В моделях, в которых пространство имеет только два измерения, это уже сделано: предсказано, что DSR верна. Имеются указания, что то же самое предсказание сохранится и для нашего трехмерного мира, но до сегодняшнего дня для этого нет убедительных доказательств.

Как насчет других больших проблем, таких как объединение частиц и сил? До недавнего времени мы думали, что петлевая квантовая гравитация мало что может сказать о других проблемах, отличных от квантовой гравитации. Мы могли бы ввести материю в теорию, и хорошие результаты не должны были бы измениться. Если бы мы захотели, мы могли бы ввести всю стандартную модель физики частиц – или любую другую модель физики часиц, которую мы хотели изучить, – но мы не думали, что петлевая квантовая гравитация может внести что-то особенное в проблему объединения. Совсем недавно мы поняли, что мы ошибались по этому поводу. Петлевая квантовая гравитация уже имеет в себе элементарные частицы, и недавние результаты наводят на мысль, что это в точности правильная физика частиц: стандартная модель.

Год назад Фотини Маркопоулоу предложила новый способ подхода к проблеме, как из более фундаментальной теории может возникать геометрия пространства. Маркопоулоу молодой физик, работающая в квантовой гравитации, которая чаще всех удивляет меня невероятными идеями, которые оказываются правильными, и эта была одна из ее лучших идей. Вместо того, чтобы прямо спрашивать, может или нет геометрия квантового пространства-времени появиться как классическое пространство-время, она предложила отличающийся подход, основанный на идентификации и изучении движения частиц в квантовой геометрии. Ее идея была, что частица должна быть некоторым видом эмерджентного возбуждения квантовой геометрии, путешествующего через геометрию, почти как волна путешествует через твердое тело или жидкость. Однако, чтобы была воспроизведена известная нам физика, эти эмерджентные частицы должны описываться как чисто квантовые частицы, игнорируя квантовую геометрию, через которую они путешествуют.

Обычно, когда частица находится во взаимодействии с окружением, информация о ее состоянии рассеивается в окружении – мы говорим, что наступает декогерентность. Тяжело предотвратить воозникновение этой декогерентности; в этом, кстати, причина, почему тяжело сделать квантовый компьютер, который для своей эффективности зависит от нахождения частиц в чистом квантовом состоянии. Люди, которые делают квантовые компьютеры, имеют идеи о том, когда квантовая система будет оставаться в чистом состоянии, даже будучи в контакте с окружением. Во время работы с экспертами в этой области Маркопоулоу поняла, что их наработки применимы к проблеме, как квантовая частица могла бы возникнуть из квантового пространства-времени. Она обратила внимание, что, чтобы вытащить предсказания из теорий квантовой гравитации, вы можете идентифицировать такую квантовую частицу и показать ее движение, как если бы она была в обычном пространстве. В ее аналогии окружением является квантовое пространство-время, которое, будучи динамическим, постоянно изменяется. Квантовая частица должна двигаться через него, как будто бы оно было фиксированным, нединамическим фоном.

Используя эти идеи, Маркопоулоу и ее сотрудники смогли показать, что некоторые фоново-независимые теории квантовой гравитации имеют эмерджентные частицы. Но что это за частицы? Соответствуют ли они чему-либо, что наблюдается?

Вначале проблема казалась трудной, поскольку квантовая геометрия, предсказываемая петлевой квантовой гравитацией, очень сложна. Состояния частиц ассоциируются с графами, растянутыми в трехмерном пространстве. Пространство является фоном, но оно не имеет свойств, кроме своей топологии; вся информация об измерениях геометрии – вроде длин, площадей и объемов – происходит от графов. Но поскольку графы растянуты в пространстве, теория содержит в себе очень много дополнительной информации, которая, кажется, не должна ничего делать с геометрией. Это происходит вследствие бесконечного числа способов, которыми ребра графов могут запутываться, связываться и заплетаться в трехмерном пространстве.

В последнюю весну (2006) мне случилось увидеть препринт молодого австралийского физика, занимающегося частицами, по имени Сандэнс О. Бильсон-Томпсон. В нем он представил простое сплетение лент, которое совершенно замечательно точно ухватывает структуру преонных моделей физики частиц, которые я обсуждал в главе 5. (Вспомните, что эти модели постулируют гипотетические частицы, называемые преонами, как фундаментальные составляющие протонов, нейтронов и других частиц стандартной модели, считавшихся элементарными.) В его модели преон есть лента, и различные виды преонов соответствуют лентам, закрученным вправо, влево или совсем никак. Три ленты могут быть сплетены вместе, и различные способы сделать это точно соответствуют различным частицам стандартной модели.

Как только я прочитал статью, я понял, что это была недостающая идея, поскольку все плетения, которые изучал Бильсон-Томпсон, могли бы возникнуть в петлевой квантовой гравитации. Это означает, что различные способы сплести и запутать ребра графов в квантовом пространстве-времени должны быть различными видами элементарных частиц. Так что петлевая квантовая гравитация относится не только к квантовому пространству-времени – она уже содержит в себе физику элементарных частиц. И если бы мы могли обнаружить игру Бильсона-Томпсона точно работающей в теории, это было бы правильной физикой элементарных частиц. Я спросил Маркопоулоу, а не могут ли его плетения быть ее когерентными возбуждениями. Мы пригласили Бильсона-Томпсона к сотрудничеству с нами, и после нескольких фальш-стартов увидели, что утверждение на самом деле работает во всех направлениях до конца. Сделав некоторые умеренные предположения, мы нашли, что преонная модель описывает простейшее из этих частицеподобных состояний в классе теорий квантовой гравитации.

Этот результат поднял много вопросов, и ответить на них теперь является моей главной целью. Слишком рано говорить, работает ли это достаточно хорошо, чтобы дать недвусмысленные предсказания для грядущих экспериментов на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Но одна вещь ясна. Теория струн больше не является единственным подходом к квантовой гравитации, который также унифицирует элементарные частицы. Результаты Маркопоулоу означают, что многие независимые от фона квантовые теории гравитации содержат в себе элементарные частицы как эмерджентные состояния. И данная теория не приводит к громадному ландшафту возможных теорий. Скорее, она показывает перспективы, ведущие к однозначным предсказаниям, которые или будут в согласии с экспериментом, или нет. Самое важное, она избегает необходимости подвергать ревизии научный метод через призывание антропного принципа, что защищают Леонард Сасскайнд и другие (см. главу 11). Наука, действуя старым способом, движется вперед.

Понятно, имеются различные подходы к пяти фундаментальным проблемам физики. Область фундаментальной физики вне теории струн быстро прогрессирует, причем в нескольких направлениях, включающих, но не ограничивающихся причинными динамическими триангуляциями и петлевой квантовой гравитацией. Как и в любой здоровой области науки, имеется живое взаимодействие как с экспериментом, так и с математикой. Хотя в этих исследовательских программах работает не так много людей, как в теории струн, – возможно, две сотни, включая всех, – однако, достаточно много людей энергично подключаются к фундаментальным проблемам на границах науки. Большие скачки двадцатого столетия были сделаны очень немногими. Когда дело идет к революционизированию науки, значение имеет качество мышления, а не количество истинных верующих.

Однако, я хочу пояснить, что в этой новой "послеструнной" атмосфере нет ничего, что исключает изучение теории струн самой по себе. Идея, на которой она основана, – дуальность полей и струн – разделяется, как я обращал внимание, и петлевой квантовой гравитацией. К существующему кризису в физике привела не эта стержневая идея, а особый вид ее реализации, разработанный в зависимом от фона контексте – контексте, который навязывает рискованные предположения, такие как суперсимметрия и высшие измерения. Нет причин, почему бы другой подход к теории струн – более близкий к основополагающим проблемами, вроде независимости от фона и проблемам квантовой теории – не мог бы быть частью конечной истории. Но чтобы узнать это, теория струн нуждается в развитии в открытой атмосфере, в которой она рассматривается как одна идея среди нескольких, без какого-либо исходного допущения о ее окончательном успехе или неудаче. С чем новый дух физики не может быть согласен, так это с презумпцией, что одна идея имеет успех, какие бы ни были свидетельства.

Хотя сегодня среди теоретиков по квантовой гравитации есть возбуждающее ощущение прогресса, имеется также сильное ожидание, что дорога вперед принесет, по меньшей мере, несколько сюрпризов. В отличие от струнных теоретиков в веселые дни двух суперструнных революций, немного людей, работающих в квантовой гравитации, уверены, что они имеют в руках конечную теорию. Мы осознаем, что достижения независимых от фона подходов к квантовой гравитации являются необходимым этапом в завершении революции Эйнштейна. Они показывают, что может существовать последовательный математический и концептуальный язык, который объединяет квантовую теорию и ОТО. Это дает нам нечто, чего не дает теория струн, а именно возможную схему, в которой можно сформулировать теорию, которая решит все пять проблем, список который я привел в главе 1. Но мы объективно уверены, что мы еще не имеем все кусочки картины. Даже с недавними успехами еще нет идеи, которая была бы абсолютно правдоподобна.

Когда вы оглядываетесь назад на историю физики, замечается одна вещь: Когда, наконец, предлагается конечная теория, она быстро достигает триумфа. Несколько действительно хороших идей по унификации появились в форме, которая убедительна, проста и однозначна; они не пришли со списком вариантов или настраиваемых свойств. Ньютоновская механика определена тремя простыми законами, ньютоновская гравитация простой формулой с одной константой. СТО была совершенной, когда появилась. Могло потребоваться двадцать пять лет для формулирования квантовой механики, но с самого начала она развивалась в согласии с экспериментом. Многие из ключевых статей по этой теме с 1900 года или объясняли недавние экспериментальные результаты, или делали определенные предсказания для экспериментов, которые были в короткое время проведены. То же самое верно и для ОТО.

Таким образом, все восторжествовавшие теории имели следствия для эксперимента, которые было легко разработать и которые могли быть проверены в течение нескольких лет. Это не означает, что теории могли бы быть решены точно – большинство теорий точно не решатся никогда. Но это означает, что физическое прозрение немедленно приводит к предсказанию нового физического эффекта.

Чего бы другого не говорили о теории струн, петлевой квантовой гравитации и других подходах, они не добились обещанного на этом фронте. Стандартное извинение, что эксперименты на этих масштабах невозможно провести, – но, как мы видели, это не так. Так что должна быть другая причина. Я уверен, что имеется нечто основополагающее, что мы упускаем, некоторое ошибочное предположение, которое мы все делаем. Если это так, тогда нам нужно изолировать ошибочное предположение и заменить его новой идеей.

Что может быть таким ошибочным предположением? Моя догадка, что оно содержит две вещи: основания квантовой механики и природу времени. Мы уже обсуждали первое; я нахожу многообещающим, что недавно были предложены новые идеи по поводу квантовой механики, мотивированные изучением квантовой гравитации. Но я сильно подозреваю, что ключом является время. Все больше и больше я чувствую, что квантовая теория и ОТО обе глубоко ошибаются по поводу природы времени. Не достаточно объединить их. Имеется более глубокая проблема, возможно, восходящая назад к истокам физики.

Примерно в начале семнадцатого столетия Декарт и Галилей оба сделали самое удивительное открытие: Вы можете нарисовать график с одной осью, представляющей пространство, и с другой, являющейся временем. Тогда движение через пространство становится кривой на этом графике (см. Рис.17). Таким образом, время представляется, как если бы оно было еще одним измерением пространства. Движение заморожено, вся история постоянного движения и перемен представляется для нас как нечто статическое и неизменное. Если я догадался (а строить догадки это то, что я делаю, чтобы заработать на жизнь), это и есть сцена для криминала.

Мы должны найти способ разморозить время – представить время без превращения его в пространство. У меня нет идей, как это сделать. Я не могу представить себе математику, которая не представляет мир, как если бы он был заморожен в вечности. Это ужасно тяжело, представить время, и поэтому тут имеется хороший шанс, что это представление и является потерянным кусочком.

Одна вещь ясна: я не могу получить никакого размышления об этом виде проблемы в рамках границ теории струн. Поскольку теория струн ограничена описанием струн и бран, движущихся в фиксированных фоновых пространственно-временных геометриях, она не предлагает ничего тому, кто хотел бы прорваться к новому основному мышлению о природе времени или о квантовой теории. Фоново-независимые подходы предлагают лучшую стартовую позицию, поскольку они уже переступили пределы классической картины пространства и времени. И они проще для определения и легче для игры с ними. Имеется дополнительный бонус, заключающийся в том, что привлекаемая математика связана с одним из нескольких математиков, использующих для исследований радикальные идеи о природе времени – область логики, именуемую теорией топосов.

Одна вещь, которую я знаю по поводу вопроса, как представить время без его превращения в размерность пространства, заключается в том, что возникает в других областях, от теоретической биологии до компьютерных наук и права. В попытке свободно обменяться некоторыми новыми идеями философ Роберто Мангабейра Унгер и я недавно организовали небольшую рабочую группу в Пограничном институте, собрав вместе фантазеров из каждой из этих областей, чтобы поговорить о времени. Эти два дня были самым возбуждающим, что я испытал за годы.

Я не хочу больше говорить об этом, поскольку я хочу перейти к другим вопросам. Предполагаю, что интеллектуально амбициозная молодая персона с оригинальным и нетерпеливым мышлением захочет подумать глубже о пяти великих вопросах. Признавая нашу неудачу в определенном решении каждого из них, я не могу представить, почему такая персона могла бы желать быть ограниченной в работе над любой из текущих исследовательских программ. Ясно, что если бы теория струн или петлевая квантовая гравитация сами были ответом, мы могли бы знать об этом к сегодняшнему дню. Они могут быть стартовой точкой, они могут быть частью ответа, они могут содержать необходимые уроки. Но правильная теория должна содержать новые элементы, которые наша амбициозная молодая персона, вероятно, однозначно сочтет пригодными для поиска.

Что мое поколение могло бы завещать этому молодому ученому? Идеи и технологии, которые он может захотеть или может не захотеть использовать, вместе с предостерегающей историей о частичном успехе в некоторых направлениях, приведшем к общей неудаче в попытке завершить работу Эйнштейна, начатую сто лет назад. Худшая вещь, которую мы могли бы сделать, была бы утаить от него правду, настаивая, чтобы он работал над нашими идеями. Так что вопросом для последней части книги является вопрос, который я задаю себе каждое утро: Всё ли мы сделали, что могли, чтобы поддержать и поощрить молодого ученого – и посредством этого самих себя, – чтобы переступить пределы, которые мы воздвигали последние тридцать лет, и найти верную теорию, которая решит пять великих проблем физики?