Неоткрытые миры

– Теория струн, обойдя проблему перенормировки, породила другие теоретические проблемы, например многомерность мира: теоретически приемлемую теорию струн удаётся сформулировать, только если принять, что наше пространство имеет десять или двадцать шесть размерностей, большая часть из которых свернута в компактное, практически незаметное для нас состояние. Здесь возникает такое разнообразие решений, что математик Питер Войт считает, будто теория струн уже не является научной теорией. Её можно назвать математической моделью, которая не отражает физическую реальность и потому не может претендовать на научное описание этой реальности.

Главная проблема теории струн – её оторванность от эксперимента. Фактов, которые бы не могла объяснить Стандартная теория и которые бы требовали объяснения в рамках более общей теории, чрезвычайно мало, или, как полагают многие, их вообще нет. Одна из проблем Стандартной теории – она не предсказывает массу нейтрино, которая у них, видимо, есть. Например, часть теоретиков считает, что Стандартная теория неполна, потому что не включает частицы, образовавшие тёмную материю космоса. Но совсем не обязательно, что тёмная материя состоит из элементарных частиц – другие исследователи полагают, что она состоит из таких макрообъектов, как чёрные дыры.

Отсутствие связи с реальностью породило своеобразные социологические проблемы в теории струн. В условиях слабости экспериментальной базы теоретиков стали судить не по созданию теории, которая бы подтверждалась наблюдениями, а по количеству статей и их цитируемости. А в оценке самих теорий стали участвовать такие факторы, как мода, престиж и вероятность карьерного роста.

В первой трети XX века теоретиков в мире было гораздо меньше, чем сейчас, но они совершили научную революцию, создав атомную теорию и ядерную физику, специальную теорию относительности и современную теорию гравитации, квантовую механику и космологию. Современных теоретиков раз в сто больше, но список их научных достижений, полученных за аналогичный период конца XX и начала XXI века, гораздо скромнее – имеются в виду реальные достижения, а не количество публикуемых статей и индексы цитируемости. Ли Смолин, известный теоретик, пишет в своей книге «Проблемы с физикой», вышедшей в 2006 году: «Почему, несмотря на такие усилия тысяч самых талантливых и хорошо подготовленных учёных, так мало сделано в фундаментальной физике за последние двадцать пять лет?»

Математик Питер Войт, выпускник Гарварда, который получил докторскую степень в Принстонском университете и ныне преподаёт в Колумбийском, написал книгу «Даже не неправильно» с критическим взглядом на господствующую в фундаментальной физике теорию струн.

– Даже не неправильно? – удивилась Галатея замысловатой фразе.

– Физики делят теории на правильные, которые можно подтвердить экспериментом, и неправильные, которые можно опровергнуть. Но Вольфганг Паули ввел новую категорию теорий: «даже не неправильные» – для теорий, которые нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть каким-либо способом. Войт предложил свой труд издательству Кембриджского университета. Вскоре ему показали анонимный отзыв на книгу одного из струнных теоретиков. Войт пишет в своей книге, которая была опубликована в 2006 году, но в другом издательстве: «Прежде чем я увидел этот отзыв, я слегка беспокоился о некоторых вещах, которые написал, чувствуя, что слишком близко подошёл к обвинению струнных теоретиков в интеллектуальной нечестности. Увидев этот отзыв, я перестал беспокоиться об этом. Очевидно, что уровень такой нечестности и нежелание многих теоретиков струн признать проблемы своего предмета далеко превзошли мои первоначальные ожидания».

Сабина Хоссенфелдер из Франкфуртского института передовых исследований, работающая в области физики элементарных частиц и квантовой гравитации, в апреле 2017 года опубликовала в журнале «Nature» комментарий, заголовок которого можно перевести так: «Наука должна заслужить доверие». Комментарий начинается так: «Я теоретик в физике элементарных частиц, и я сомневаюсь в теоретической физике элементарных частиц…Я боюсь, что публика имеет веские причины не доверять учёным, и – печально, но правда – мне тоже всё сложнее им доверять». Она называет это кризисом фундаментальной науки, потому что «мы создаём гигантское количество новых теорий, и ни одна из них никогда не была подтверждена экспериментально». Она приводит уже ставший знаменитым пример: в декабре 2015 года группа учёных, работавшая на Большом Адронном Коллайдере, сообщила о признаке существования новой частицы, которая не укладывалась в Стандартную теорию элементарных частиц. Результат имел невысокую статистическую достоверность, и в августе 2016 года эта же группа сделала вывод, что никакой новой частицы нет – приборы просто показали статистическую флуктуацию. Но для объяснения существования этой несуществующей частицы теоретиками за восемь месяцев было опубликовано 600 научных статей, включая публикации в самых престижных физических журналах. Как отметила Сабина Хоссенфелдер, ни одна из этих теоретических публикаций «не описывала реальность».

Сабина подчеркнула, что такая же ситуация складывается в астрофизике, где существуют проблемы космологической постоянной и тёмной материи, а также в теории инфляции. «Теоретики вводят одно или несколько новых полей и потенциалов, которые управляют динамикой Вселенной… Существующие наблюдательные данные не позволяют сделать выбор между моделями. И если даже обнаруживаются новые данные, всё ещё остаётся бесконечно много моделей, о которых можно писать статьи. По моим оценкам, сейчас в литературе описано несколько сот таких моделей. Для каждого выбора инфляционных полей и потенциалов можно вычислять наблюдаемые величины и затем двигаться к следующим полям и потенциалам. Вероятность того, что любая из этих моделей описывает реальность, бесконечно мала – это рулетка на бесконечно большом столе. Но согласно существующим критериям качества, это первоклассная наука. Такой же поведенческий синдром возник в астрофизике, где теоретики придумывают поля для объяснения космологической постоянной… и предлагают всё более сложные „невидимые сорта“ частиц, которые – может да, а может нет – составляют тёмную материю».

Сабина пишет: «Нетрудно понять, как мы попали в такую ситуацию. Нас судят по количеству публикаций… и более строгие критерии качества для новых теорий обрежут нашу продуктивность. Но „давление публикаций“ поощряет к количеству в ущерб качеству, о чём уже неоднократно говорилось раньше…»

Никки, внимательно слушавшая эту совсем не сказочную историю, кивнула головой:

– Научное бесплодие в фундаментальной науке обычно связано с потерей независимости учёных. Молодой выпускник университета, чтобы выжить в гуще конкурентов, примыкает к самой популярной теории и старается дружить со всеми, особенно вышестоящими мэтрами, потому что именно от них зависит его будущая карьера, публикации и гранты. Такой теоретик пороха не выдумает по определению, потому что тот взорвёт все с таким трудом установленные связи и вызовет ненависть к своему изобретателю.

Дзинтара вздохнула:

– В книге Питера Войта в адрес тесного круга учёных вокруг лидирующей теории, которые вытесняют из науки всех несогласных, использован термин «мафия»; в книге Ли Смолина этот же феномен называется деликатно «социологические проблемы в науке».

Никки усмехнулась:

– Как терминами ни жонглируй, очевидно, что фундаментальная наука без фундаментальной свободы обречена на пробуксовку. Кроме того, удивительно субъективной остаётся такая важная вещь, как оценка новой теории. Я думаю, что можно ввести надёжный параметр научности и перспективности новой физической теории. Например, вычислить отношение наблюдаемых феноменов, предсказанных данной теорией, к числу сильных физических предположений теории. Естественно, так можно проверять лишь теории физических явлений.

Математические теории, не имеющие отношения к реальному миру, в принципе нельзя проверить экспериментом.

Дзинтара заинтересованно спросила:

– А можно пример оценки физических теорий?

– Теория гравитации Эйнштейна сделала одно существенное предположение: гравитация – это искривлённое пространство-время. На основе этого предположения удалось объяснить не только весь спектр ньютоновских явлений – ведь способность объяснить эмпирический базис старой теории является обязательным условием любой новой физической теории, – но и аномальную прецессию орбиты Меркурия, отклонение света звезды возле Солнца, замедление времени в гравитационном поле Земли, а также существование чёрных дыр и гравитационных волн. То есть параметр научной надёжности для теории Эйнштейна – пять. По этому параметру теория струн или инфляционная теория имеют уровень надёжности гораздо меньший. А если теория имеет параметр научной надёжности, равный единице и меньше, то эта теория ещё не стала физической теорией, а находится в статусе недоказанных гипотез или просто математических построений, не претендующих на объяснения реальности. Этот параметр оценки теорий близок к известному отношению «цена – качество» для оценки любого изделия. А чем является фундаментальная теория, как не изделием человеческого разума?

Дзинтара сказала:

– Как бы ни были велики успехи фундаментальной физики за прошедшие сто лет, вопросов, на которые мы ещё не знаем ответа, остается всё равно множество. Вот «чёртова дюжина» самых главных вопросов, которые остаются нерешёнными в фундаментальной физике и физике элементарных частиц:

1. Стандартная модель опирается на девятнадцать числовых параметров, например шесть масс лептонов, шесть масс кварков, массу бозона Хиггса и три константы, характеризующие интенсивность электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия. Можно ли построить более простую модель? Связаны ли между собой лептоны и кварки?

2. Из чего состоят кварки? Откуда берётся такой разброс в массах кварков?

3. Почему кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии?

4. Есть ли другие ступени у Квантовой Лестницы? Может быть, ступени этой Квантовой Лестницы уходят в бесконечную глубь, по которой предстоит идти вечно? Но даже если этот увлекательный путь существует, насколько он практически полезен? Не станет ли он лишь интеллектуальным удовольствием без какой-либо связи с реальностью?

5. Как решить застарелые проблемы квантовой расходимости, связанные с предполагаемой точечностью электрона и других элементарных частиц?

6. Есть теории, которые предсказывают существование магнитных монополей – частиц, которые несут в себе отрицательный или положительный магнитный заряд, так же как электроны и позитроны обладают отрицательным и положительным электрическим зарядом. Но пока никто не открыл магнитных монополей. Есть ли они?

7. Есть теории, которые предсказывают распад протонов за времена, превосходящие длительность жизни Вселенной, но пока никто не наблюдал такой распад протона в окружающем нас мире, полном протонов. Реален ли этот эффект?

8. Что определило наблюдаемые величины фундаментальных констант нашего мира – гравитационной постоянной, скорости света, постоянной Планка, заряда электрона? Физик Эддингтон попытался найти алгебраическое уравнение, числовые решения которого дали бы мировые константы. Многие считают, что вселенных с разными величинами констант много, и мы живём в такой, где константы благоприятствуют возникновению звёзд, планет и разумной жизни, иначе некому было бы задаваться такими вопросами. Так ли это?

9. Один из фундаментальных вопросов, на который современная физика не знает ответа: почему тела гравитируют, или, вернее, искривляют вокруг себя пространство? Откуда пространство на миллиарды километров вокруг звезды знает, что ему нужно искривиться; как звезда или элементарные частицы, из которых она состоит, сообщают ему об этом?

10. Многие полагают, что существует квантовая теория гравитации, которая является аналогом квантовой электродинамики, только вместо фотона там живёт и работает гравитон – элементарная частица гравитационного поля. Другие считают гравитационное поле особенным: не квантовым, но возникшим при каком-то загадочном действии других квантовых полей, описанных в Стандартной теории. Кто прав? А может, существует какой-то третий вариант?

11. В общей теории относительности есть туманное место о законе сохранения энергии, дискуссии о котором затруднительны, потому что закон сохранения энергии канонизирован, и покушаться на него могут только еретики. Может, пора обсудить это место в теории Эйнштейна без запаха костров инквизиции?

12. Есть теории, которые предсказывают пространственно-временные червоточины. На них возлагаются надежды тех, кто мечтает о межзвёздных путешествиях. Насколько реальны такие червоточины и такие надежды?

13. Проблема физики внутри чёрных дыр: что там происходит? Насколько отличается физика мира внутри чёрной дыры и снаружи?

Никки подумала и добавила вопрос от себя:

– Математических теорий много, а физический мир – один. Вопрос не в математической корректности теории, вопрос в том, насколько данная теория правильно отражает мир. Где математика, а где реальность? Это главный вопрос, который стоит перед физикой фундаментальных взаимодействий.