Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует - Ли Смолин

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.

Рисунок 17. Со времен Декарта и Галилея процесс, разворачивающийся во времени, представлялся как кривая на графике с дополнительным измерением, представляющим время. Это наделение времени свойствами пространства полезно, но может вызывать представление о статическом и неизменном мире – замороженном, вечном наборе математических соотношений.

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.[12]

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?

IV

Обучаясь на опыте

16

Как вы боретесь с социологией?

В этой последней части книги я хочу возвратиться к вопросам, которые я поднял во Введении. Почему, несмотря на такие большие усилия тысяч самых талантливых и хорошо подготовленных ученых, в фундаментальной физике в последние двадцать пять лет сделан столь незначительный окончательный прогресс? И, фиксируя, что имеются многообещающие новые направления, что мы можем сделать, чтобы гарантировать, что темп прогресса восстановится до уровня, который существовал в течение двухсот лет до 1980?

Один из способов описать неприятности с физикой заключается в констатации, что за последние тридцать лет отсутствуют работы по теоретической физике элементарных частиц, которые уверенно можно было бы выбрать на Нобелевскую премию. Причина в том, что условием премии является проверка достижения экспериментом. Конечно, идеи вроде суперсимметрии или инфляции могут быть показаны экспериментом как правильные, и если это так, их изобретатели будут достойны Нобелевской премии. Но мы не можем сегодня сказать, что открытие любой гипотезы в физике за пределами стандартной модели элементарных частиц проверено.

Ситуация была совершенно иной, когда я поступил в аспирантуру в 1976. Было достаточно ясно, что стандартная модель, которая была доведена до конечной формы только тремя годами ранее, была решительным прогрессом. Уже имелось ее существенное экспериментальное подтверждение, а многие опыты были в процессе выполнения. Не было серьезных сомнений, что ее изобретатели раньше или позже будут удостоены за свой труд Нобелевской премии. Так со временем и произошло.

Ничего подобного сегодня нет. В последние двадцать пять лет имелось много премий, присужденных за работу в теоретической физике частиц, но не Нобелевских. Нобель не выдается за находчивость или успешность; он выдается за правильность.

Это не мешает тому, что имелись великие технические достижения в каждой из исследовательских программ. Это говорит о том, что в настоящее время работают больше ученых, чем за всю историю науки. Это определенно верно для физики; в больших университетских департаментах сегодня имеется больше профессоров физики, чем было сто лет назад во всей Европе, где были получены почти все достижения. Все эти люди работают, и большая часть этой работы технически изощренная. Более того, технический уровень молодых физиков-теоретиков сегодня намного выше, чем это было поколение или два назад. Имеется больше возможностей для молодых людей стать мастерами, и они тем или иным образом умудряются делать это.

Однако, если вы судите по стандартам, которые действовали две сотни лет до 1980, оказывается, что темп необратимого прогресса в теории элементарных частиц замедлился.

Мы уже обсуждали простые объяснения неудач последних двадцати пяти лет. Это не является следствием недостатка данных; имеется изобилие необъясненных результатов, чтобы возбудить воображение теоретиков. Это не связано с тем, что теории требуют много времени для тестирования; редко проходит больше десяти лет между предсказанием нового явления новой теорией и его подтверждением. Это не является следствием недостатка усилий; сейчас гораздо больше людей работают над проблемами фундаментальной физики, чем за всю историю предмета в целом. И, определенно, ответственность не может быть возложена на недостаток таланта.

В предыдущих главах я предположил, что то, что потерпело неудачу, не столько особая теория, сколько особый стиль исследований. Если кто-то проводит время как в сообществе струнных теоретиков, так и в сообществе людей, работающих над независимыми от фона подходами к квантовой гравитации, он не может помочь, но будет поражен огромной разницей в стиле и в ценностях, выражаемых двумя сообществами. Эта разница отражает раскол в теоретической физике, который восходит более чем на полвека назад.

Стиль мира квантовой гравитации унаследован от того, что использовалось так называемым релятивистским сообществом. Он проводился студентами и партнерами Эйнштейна, и, в свою очередь, их студентами – такими людьми как Петер Бергман, Джошуа Голдберг и Джон Арчибальд Уилер. Стержневыми ценностями этого сообщества были уважение к индивидуальным идеям и исследовательским программам, подозрение к моде, доверие к математически ясным аргументам и убеждение, что ключевые проблемы тесно связаны с основополагающими вопросами о природе пространства, времени и квантов.