Часть седьмая. Изменчивая картина космоса

Глава восемнадцатая. Войны вокруг теории струн. Равна ли красота истине?

Для физики настало лучшее из всех времен. Физики вот-вот обретут долгожданную теорию великого объединения, она же теория всего. Эта теория в нескольких изящных уравнениях, вероятно, таких кратких, что их можно будет напечатать на футболке, покажет, с чего началась Вселенная и чем она закончится. Главное откровение этой теории состоит в том, что мельчайшие составляющие Вселенной – не частицы, как думали с древних времен, а «струны» – тончайшие волокна энергии. Эти струны по-разному вибрируют и тем самым порождают все природные явления, подобно тому, как струны скрипки порождают музыкальные ноты. Теория струн не просто мощна, но еще и математически красива. Остается пустяк – взять и записать ее уравнения. Как выяснилось, на это требуется неожиданно много времени. Но ведь над этой задачей работает практически все сообщество физиков-теоретиков во главе с великим пророком из Принстона в штате Нью-Джерси, так что тысячелетняя мечта об обретении окончательной теории, несомненно, вот-вот станет реальностью.

Для физики настало худшее из всех времен. Вот уже целое поколение, а то и больше физики гоняются за каким-то призраком под названием «теория струн». Начало этой охоты знаменовало конец семидесятипятилетнего прогресса. По теории струн проведены десятки конференций, защищены сотни диссертаций, написаны тысячи статей. Однако при всей этой бурной деятельности не сделано ни одного проверяемого прогноза, не решено ни одной теоретической головоломки. Более того, до сих пор нет никакой теории – только набор наметок и расчетов, позволяющих предположить, что теория может существовать. И даже если она существует, у нее окажется такое безумное количество версий, что ей невозможно будет пользоваться – это будет теория ничего. Но все равно элита физического сообщества пропагандирует теорию струн с иррациональным рвением и беспощадно изгоняет из профессии несогласных. Тем временем физика увязла в парадигме, обреченной на бесплодность.

Да, так и есть: это лучшее из всех времен, это худшее из всех времен. Ведь теоретическая физика – это вам не викторианский роман. Если вы всего лишь от случая к случаю читаете научно-популярные статьи в газетах, то, скорее всего, лучше знакомы с оптимистической точкой зрения. Однако у теории струн всегда было предостаточно громогласных противников. Ричард Фейнман без малого тридцать лет назад отмел ее как «чепуху», «сумасшествие» и «неверное направление» в физике. Шелдон Глэшоу, получивший Нобелевскую премию за одно из последних великих достижений в физике до начала эпохи теории струн, уподобил ее «новой версии средневекового богословия» и всеми силами старался не допустить теоретиков струн на свою кафедру в Гарварде (безуспешно). В 2006 году два физика из поколения теории струн выявили, как им казалось, безнадежные противоречия в теоретической физике. «Историю, которую я собираюсь рассказать, многие сочтут трагической», – пишет Ли Смолин в книге «В чем беда с физикой. Взлет теории струн, падение науки и что теперь будет» (Smolin, L., The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next). Питер Уойт в книге «Даже не ошибка: провал теории струн и поиски объединения физических законов» (Woit, P., Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Continuing Challenge to Unify the Laws of Physic) предпочитает слово «катастрофа». И Смолин, и Уойт в пору, когда теория струн вошла в моду, то есть в начале восьмидесятых, были профессиональными физиками. Теперь они оба изгои – Смолин, в прошлом ярый сторонник теории струн (он написал на эту тему 18 статей), откололся от этой веры и участвовал в создании меньшевистской ячейки физиков в Канаде под названием «Институт Периметр», а Уойт ушел из теоретической физики в математику (он читает лекции на математическом факультете в Колумбийском университете), что позволяет ему смотреть на происходящее с междисциплинарной точки зрения.

Оба критика теории струн строят свои предварительные обвинения на смеси науки, философии, эстетики и, как ни странно, социологии. С их точки зрения физику захватила культура головорезов, которая поощряет технарей, работающих над официально одобренными задачами, и не приветствует мечтателей и пророков в духе Альберта Эйнштейна.

Уойт утверждает, что недостаток эмпирических подтверждений теории струн и концептуальной строгости мешает разработчикам теории струн отличать подлинный научный вклад от мошенничества. Смолин придает своим исковым заявлениям морально-этическую окраску – он связывает теорию струн с «вопиюще предвзятым» отношением к женщинам и чернокожим в физической профессии. Размышляя о культе пустой математической виртуозности, он задается вопросом: «Сколько ведущих физиков-теоретиков были когда-то неуверенными в себе маленькими прыщавыми мальчиками, способными поквитаться с красавчиками и спортсменами (которым доставались все девочки) в одном-единственном месте – в кабинете математики?»

Как странно, что подобные низменные мотивы могут затрагивать даже физику, столь чистую и объективную! Но в этой науке в целом настали странные времена. Впервые в истории теория догнала эксперимент. В отсутствие новых данных физикам приходится руководствоваться в поисках окончательной теории не надежными эмпирическими данными, а чем-то другим. И это что-то они зовут красотой. Между тем в физике, как и во всей остальной жизни, красота – штука опасная.

Золотой стандарт красоты в физике – общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Что делает ее красивой? Во-первых, простота. Общая теория относительности в одном уравнении описывает силу гравитации как искривление геометрии пространства-времени в присутствии массы: масса говорит пространству-времени, как искривляться, пространство-время говорит массе, как двигаться. Во-вторых, ее неожиданность: кто бы мог себе представить, что целая теория родится из естественного предположения, что все системы отсчета равны и законы физики не должны меняться, если запрыгнешь на карусель? Ну и, наконец, ощущение незыблемости. Нельзя ничего изменить в логической структуре этой теории, не нарушив ее. Физик Стивен Вайнберг уподобил ее «Святому семейству» Рафаэля: каждая фигура на холсте нашла свое идеальное место, художник ничего не должен был сделать иначе.

Общая теория относительности Эйнштейна была одним из двух революционных нововведений начала XX века, знаменовавших начало новой эры в физике. Второй стала квантовая механика. Квантовая механика еще радикальнее отходила от привычной ньютоновой физики. В отличие от общей теории относительности, которая имела дело с четко определенными объектами, существующими в однородной, хотя и криволинейной, геометрии пространства-времени, квантовая механика описывала зыбкий, полный случайностей микромир, где все изменения происходят рывками, частицы ведут себя как волны (и наоборот) и над всем царствует неопределенность.

В первые десятилетия после этой двойной революции основные действия шли на квантовой стороне. Помимо гравитации, природой управляют три основные силы: электромагнетизм, сильное взаимодействие, удерживающее частицы в ядре атома, и слабое взаимодействие, вызывающее радиоактивный распад. В конце концов ученым удалось вписать все три силы в рамки квантовой механики, создав тем самым «стандартную модель» физики частиц. Стандартная модель – это зыбкая конструкция из палок и изоленты, она кое-как соединяет совсем не похожие виды взаимодействий, а ее уравнения содержат два десятка произвольных на первый взгляд констант – массы тех или иных частиц, соотношения тех или иных сил и так далее – которые пришлось измерять экспериментально и вводить в формулы «вручную». При всем при том стандартная модель оказалась, всем на радость, невероятно полезной – она предсказала результаты всех дальнейших экспериментов по физике частиц с поразительной точностью, зачастую до одиннадцатого знака после запятой. Как заметил однажды Фейнман, это все равно что вычислить расстояние от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка с точностью до волоска.

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

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

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

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

Виттен работает в Институте передовых исследований в Принстоне. Коллеги-физики относятся к нему с восхищением: известно, что его сравнивали с Эйнштейном. Подростком он интересовался скорее политикой, чем физикой. В 1968 году, когда ему было 17 лет, он напечатал в The Nation статью, где утверждал, что у «новых левых» нет политической стратегии. Виттен поступил на исторический факультет в Университет имени Брандейса и участвовал в предвыборной компании Джорджа Макговерна, который баллотировался в президенты США в 1972 году (Макговерн написал Виттену рекомендацию в аспирантуру). А когда Виттен решил избрать профессию физика, оказалось, что он невероятно быстро учится: он защитил диссертацию в Принстоне, прошел постдок в Гарварде, в 29 лет получил должность штатного преподавателя в Принстоне, а еще через два года – «стипендию для гениев» Макартура. Статьи Виттена – образцы глубины и ясности. Другие физики решают задачи при помощи сложных вычислений, а он – при помощи логических рассуждений, исходя из первооснов. Как-то Виттен сказал, что «величайшим интеллектуальным восторгом» его жизни было узнать, что теория струн может вместить и гравитацию, и квантовую механику. Его исследования по теории струн привели к потрясающим достижениям в чистой математике, особенно в абстрактной теории узлов. В 1990 году Виттен стал первым физиком, удостоенным медали Филдса – эквивалент Нобелевской премии для математиков.

Именно Виттен и возглавил вторую революцию в теории струн, мишенью которой была головоломка, возникшая отчасти из-за всех этих дополнительных измерений. Их нужно было свернуть так, чтобы они стали совсем маленькими и невидимыми, однако оказалось, что это можно сделать разными способами, и физики постоянно находят все новые и новые. Но если существует не одна версия теории струн, а несколько, как определить, какая из них верна? Эксперименты тут не помогли бы, поскольку теория струн работает с такими энергиями, что их невозможно обеспечить в ускорителях частиц. К началу девяностых было изобретено целых пять вариантов теории струн. Повеяло разочарованием. Но общее настроение заметно повысилось, когда Виттен в 1995 году объявил теоретикам струн, собравшимся на конференцию в Лос-Анджелесе, что эти пять разных на первый взгляд теорий – всего лишь грани чего-то большего, что он назвал «М-теорией». М-теория, помимо вибрирующих струн, допускает существование вибрирующих мембран и капель. На вопрос, почему теория так называется, Виттен отвечал уклончиво: он говорил, что «М – это магия, мистика или мембрана, кому что нравится». Затем он прибавил еще и вариант «мутный», поскольку «наше понимание теории, в сущности, очень примитивно». Другие физики предлагали «матрицу», «мать» («мать всех теорий») и «мастурбацию». Скептически настроенный Шелдон Глэшоу задавался вопросом, не может ли М оказаться на поверку перевернутой W – первой буквой фамилии Witten.

Сегодня, когда прошло больше двух десятилетий после второй революции, теория, которую раньше называли теорией струн, так и остается соблазнительной гипотезой, а вовсе не набором уравнений, а проблема неуникальности приобрела такой размах, что остается лишь руками развести. По последним подсчетам, количество теорий струн достигло примерно единицы с пятью сотнями нулей. «Может быть, просто счесть такое положение дел доведением до абсурда?» – спрашивает Смолин.

Но некоторых теоретиков струн этим не запугаешь: ведь каждая участница этого огромного ансамбля альтернативных теорий, считают они, описывает свою возможную вселенную со своим «местным климатом» и историей. А вдруг все эти вселенные и вправду существуют? Может быть, каждая из них зародилась из точки, из пузырька – в точности как наша. (Физики, верящие в такую «множественную вселенную», она же «мультиверс», часто представляют себе этакое космическое шампанское с пеной из пузырьков-вселенных.) Большинство таких вселенных, что называется, не «био-френдли», но в некоторых наверняка сложатся условия, как раз подходящие для возникновения разумной жизни вроде нас. То, что наша Вселенная, по всей видимости, тонко настроена на то, чтобы в ней возникла жизнь, не простое везение. Это следствие «антропного принципа»: если бы наша Вселенная была другой, нас бы не было и некому было бы ее наблюдать. Сторонники антропного принципа говорят, что его можно применять, чтобы отсеять все версии теории струн, несовместимые с нашим существованием, и тем самым избавить теорию струн от проблемы неуникальности. Да, Коперник изгнал человека из центра Вселенной, однако антропный принцип, похоже, вернул ему это привилегированное положение. Многие физики презирают антропный принцип, а один даже назвал его «вирусом», заразившим разум его коллег-теоретиков. Но есть и такие, и Виттен в том числе, кто принимает этот принцип, хотя и с оговорками и не без мрачности. Кое-кто находит в нем извращенное удовольствие. Противоречие между этими фракциями один участник уподобил «драке едой в школьной столовке».

В книгах, посвященных критике теории струн, Смолин и Уойт рисуют антропный подход как предательство науки. Они согласны с максимой Карла Поппера: чтобы теория была научной, она должна быть фальсифицируемой. Однако теория струн, как указывает Уойт, – это как «Ресторан “У Алисы”» из песни Арло Гатри: что захочешь, то и получишь. У нее столько версий, что она ничего не предсказывает и одновременно предсказывает все на свете. В этом смысле теория струн, как следует из названия книги Уойта, «даже не ошибка». А сторонники антропного принципа, со своей стороны, клеймят противников-«попперацци» и подчеркивают, что глупо физикам отказываться от теории струн из-за того, что сказал какой-то философ о том, какой должна быть наука. Стивен Вайнберг, который вполне может считаться отцом стандартной модели физики частиц, утверждал, что антропный принцип, вероятно, знаменовал начало новой эпохи. «Раньше шаги вперед по пути научного прогресса чаще всего были отмечены какими-то открытиями относительно природы, – заметил он, – но в некоторые судьбоносные моменты мы делали открытия относительно самой науки».

Так что же, и в физике настала эра постмодернизма? (Как отмечает Смолин, в Гарварде семинар по теории струн и в самом деле одно время назывался «Физика постмодернизма»). Эра модернизма в физике частиц была эмпирической – теория возникала в соответствии с экспериментом. Да, стандартная модель некрасива, зато ей можно пользоваться, поэтому резонно предположить, что она представляет собой хотя бы приближение к истине. В эру постмодернизма, как нас учат, эксперимент теряет смысл, и упавшее знамя подбирает эстетика. Поскольку теория струн не удостаивает нас экспериментальной проверкой, мерилом ее истинности становится красота.

История последнего столетия показывает, что физики, которые руководствовались эстетическим чутьем в отсутствие экспериментальных данных, в целом достигали больших успехов. По словам Поля Дирака, «всякий, кто ценит фундаментальную гармонию, связывающую устройство природы и общие математические принципы, наверняка почувствует, что теория, наделенная красотой и элегантностью теории Эйнштейна, непременно должна быть истинной».

Мысль, что «истина есть красота, а красота есть истина», сама по себе красива, но есть ли основания считать ее истинной? Ведь истина – это отношения между теорией и миром, а красота – отношения между теорией и разумом. Некоторые ученые предположили, что, возможно, мы приучились находить эстетическое удовольствие в теориях, у которых больше вероятности оказаться истинными, под воздействием чего-то наподобие культурного дарвинизма. Либо физики почему-то склонны выбирать задачи с красивыми решениями, а не с неряшливыми. А может быть, сама природа на самом фундаментальном уровне обладает абстрактной красотой, которую настоящая теория обязательно отразит. Но все эти предположения подозрительны, и вот почему: стандарты красоты теорий, как правило, эфемерны, и научные революции их то и дело ниспровергают. «Любое качество теории, которое на какой-то момент считалось эстетически привлекательным, в другие времена оценивалось как неприятное или эстетически нейтральное», – заметил Джеймс У. Макаллистер, специалист по философии науки.

Следующий после красоты критерий истинности – простота: ее восхваляли и Пифагор, и Евклид, да и современные физики ценят ее, по крайней мере, на словах. При прочих равных условиях, чем меньше формул, тем элегантнее. Как же можно оценить теорию струн по этому критерию? Лучше просто не бывает, как лукаво заметил один ее сторонник, поскольку количество определяющих ее уравнений пока что в точности равно нулю. Поначалу теория струн казалась настоящим даосистким идеалом простоты, поскольку сводила все известные частицы и силы к нотам дрожащей струны. Как заметил один из ее основоположников, «теория струн слишком прекрасна как математическая структура, чтобы не иметь никакого отношения к природе». Однако с годами теорию струн постоянно приходилось латать подручными средствами перед лицом все новых и новых трудностей, и в итоге она превратилась в машину Руба Голдберга, точнее, в целый пейзаж, заполненный такими машинами. Теперь ее сторонники всячески чернят «миф об уникальности и элегантности», как сами же его и называют. Природа не проста, считают они, значит, и единая теория всего не должна быть простой. «Честный, пристальный взгляд на реальный мир не наводит на мысль о математическом минимализме», – говорит стэнфордский физик Леонард Сасскинд, которому, пожалуй, совсем не жаль, что теория струн «из красавицы превратилась в чудовище».

Если же жизнестойкость теории струн не объясняется ни ее предсказательной силой, ни красотой, в чем дело? С конца XVIII века ни одной крупной научной теории не удалось просуществовать больше десятилетия, не получив какого-нибудь приговора, оправдательного или обвинительного. Верные теории почти всегда быстро одерживают победу. Однако теория струн в любой форме находится в подвешенном состоянии вот уже почти полвека. Тридцать последних лет жизни, которые Эйнштейн посвятил поискам теории всего в физике, сделались хрестоматийным примером тщетных усилий. Чем же лучше достижения тысячи теоретиков струн?

Те, кто упорно держится за этот проект, который с каждой минутой выглядит все безнадежнее, в свое оправдание говорят, как правило, что более удачных претендентов на роль объединения физической науки пока все равно нет. Однако критики теории струн, в том числе Смолин и Уойт, объясняют это иначе, и их объяснение сводится к слову «социология». Они боятся, что академическая физика стала до опасного похожа на то, в чем ее давно обвиняли социологи-конструктивисты: на сообщество, в котором рациональности и объективности не больше, чем в любой другой группе людей. В сегодняшней обстановке гипер-конкуренции молодой физик-теоретик может надеяться лишь на то, что заслужит благосклонность старших коллег, решив по их заказу какую-нибудь задачку по теории струн. «В наши дни, – говорил один маститый специалист в этой области, – если ты восходящая звезда в теории струн, считай, что дело в шляпе».

Некоторым в сообществе теоретиков струн видится что-то похожее на секту с Виттеном в роли гуру. Смолин сетует на низкопробные научные стандарты, преобладающие в сообществе теоретиков струн, где давние, но не доказанные гипотезы считаются истинными только потому, что «ни один разумный человек», то есть никто из «племени», в них не сомневается. Самый смешной симптом отсутствия строгости в теории струн – скандал с братьями Игорем и Григорием Богдановыми: эти близнецы-французы русского происхождения умудрились опубликовать откровенно бессмысленные статьи по теории струн в пяти рецензируемых научных журналах по физике. Что это было – афера Сокала наоборот? (В 1996 году физик Алан Сокал одурачил редакцию постмодернистского журнала Social Text и заставил их опубликовать искусно написанную, но совершенно абсурдную статью о «герменевтике квантовой гравитации».) Братья Богдановы возмущенно отрицали обвинения в мистификации, но даже гарвардская группа теоретиков струн на самом деле не знала, что делать – то ли смеяться над явным розыгрышем, то ли неохотно признать, что авторы искренне считали, будто сказали новое слово в науке.

Предположим, ситуация в теоретической физике и в самом деле так плоха, как пишут критики вроде Смолина и Уойта. Что могут с этим поделать не-физики? Надо ли нам организовать какой-нибудь крестовый поход детей, чтобы очистить святую землю физики от захватчиков – сторонников теории струн? И кем их следует заменить?

Проблема современной физики, по мнению Смолина, – это в основном проблема стиля. Вожди двойной революции, произошедшей сто лет назад, – Эйнштейн, Бор, Шрёдингер, Гейзенберг – были великими мыслителями, «провидцами». Они подходили к вопросам о пространстве, времени и веществе с философской точки зрения. Новые теории, которые они создавали, были верными по сути. Однако «разработка этих теорий требовала большой технической работы, поэтому для нескольких поколений физика была “нормальной наукой”, и в ней преобладали крепкие ремесленники, – замечает Смолин. – Парадоксальная ситуация, подобная нынешнему положению в теории струн – столько обещано и ничего не исполнено – как раз и возникает, когда много крепких ремесленников пытаются сделать работу провидцев». Сегодня задача объединить физику потребует новой революции, которую не в силах совершить одни лишь виртуозы-вычислители – у них нет для этого средств. Так что выходом из положения, вероятно, может стать воспитание нового поколения провидцев.

«Как странно было бы, если бы окончательную теорию открыли уже при нашей жизни», – заметил как-то Стивен Вайнберг. Подобное открытие, добавил он, показало бы, что в интеллектуальной истории со времен зарождения современной науки – с XVII века – произошел резкий разрыв. Разумеется, нельзя исключать, что никакой окончательной теории так и не откроют, что ни теория струн, ни ее альтернативы, предлагаемые противниками теории струн, ни к чему не приведут. Вероятно, самая фундаментальная истина, описывающая природу, попросту неподвластна человеческому пониманию, как квантовая механика неподвластна пониманию собаки. Или, возможно, как считал Карл Поппер, будет доказано, что последовательность все более и более глубоких теорий бесконечна. И даже если будет найдена окончательная теория, она не даст ответов на вопросы о природе, которые интересуют нас больше всего – как мозг порождает сознание, как нас определяют наши гены. Теоретическая физика завершит свое развитие, но остальные науки едва ли это заметят.