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

Это размножение струн является примером привычного, но редко понимаемого явления как появление нового (или эмерджентность от английского emerge – появляться, возникать), термин, описывающий возникновение новых свойств в больших и сложных системах. Мы можем знать законы, которым удовлетворяют элементарные частицы, но когда много частиц связываются вместе, становятся видны все виды новых явлений. Сгустки протонов, нейтронов и электронов могут объединяться, чтобы произвести металл; другое равное количество тех же частиц может объединиться, чтобы произвести живую клетку. Как металл, так и живая клетка являются просто собраниями протонов, нейтронов и электронов. Как тогда мы можем описать, что делает металл металлом, а бактерию бактерией? Свойства, которые их отличают, называются эмерджентными свойствами.

Вот пример: возможно, простейшая вещь, металл, может колебаться; если вы ударите один конец металлической болванки, через нее пропутешествует звуковая волна. Частота, на которой будет колебаться металл, является эмерджентным свойством, как и скорость, с которой звук движется в металле. Вспомним корпускулярно-волновой дуализм квантовой механики, который декларирует, что есть волна, связанная с каждой частицей. Обратное также верно: имеется частица, связанная с каждой волной, включая частицу, связанную со звуковыми волнами, путешествующими через металл. Она называется фонон.

Фонон не является элементарной частицей. Он, определенно, не является одной из частиц, из которых состоит металл, он существует только благодаря коллективному движению гигантского числа частиц, из которых состоит металл. Но фонон является точно такой же частицей. Он имеет все свойства частицы. Он имеет массу, импульс, он переносит энергию. Он ведет себя точно тем же способом, как, квантовая механика говорит, должны себя вести частицы. Мы говорим, что фонон является эмерджентной частицей*.

* В теории конденсированной материи более употребим термин квазичастица. – (прим. перев.)

Вещи, подобные этому, как полагают, происходят и со струнами тоже. Когда взаимодействия сильны, имеется много, много струн, распадающихся и соединяющихся, и становится тяжело отследить, что происходит с каждой индивидуальной струной. Тогда мы ищем некоторые простые эмерджентные свойства больших собраний струн – свойства, которые мы можем использовать, чтобы понять, что происходит. Теперь появляется нечто на самом деле забавное. Точно так же, как колебания целого сгустка частиц могут вести себя как простая частица – фонон – от коллективных движений большого количества струн может возникнуть новая струна. Мы можем назвать ее эмерджентной струной.

Поведение этих эмерджентных струн в точности противоположно обыкновенным струнам – которые далее будем называть фундаментальными струнами. Чем больше взаимодействуют фундаментальные струны, тем меньше это делают эмерджентные струны. Чтобы выразить это чуть более точно: если вероятность для двух фундаментальных струн провзаимодействовать пропорциональна струнной константе связи g, то в некоторых случаях вероятность провзаимодействовать для эмерджентных струн пропорциональна 1/g.

Как вы отличите фундаментальные струны от эмерджентных струн? Оказывается, что вы никак не сможете это сделать – по меньшей мере, в некоторых случаях. Фактически, вы можете развернуть картинку наоборот и рассматривать эмерджентные струны как фундаментальные. Это фантастический прием сильно-слабой (S-) дуальности. Это как если бы мы могли бы посмотреть на металл и увидеть фононы – кванты звуковых волн – как фундаментальные, а все протоны, нейтроны и электроны, составляющие металл, как эмерджентные частицы, сделанные из фононов.

Подобно Т-дуальности этот вид сильно-слабой дуальности, оказывается, связывал определенные пары из пяти суперструнных теорий. Оставался единственный вопрос, была ли эта взаимосвязь применима только к некоторым состояниям теорий, или она являлась более глубокой. Это было проблемой, поскольку, чтобы полностью показать взаимосвязь, вы должны были изучить специальные состояния парных теорий – состояния, ограниченные определенной симметрией. В иных случаях вы не смогли бы иметь достаточно контроля над вычислениями, чтобы получить хорошие результаты.

Тогда для теоретиков имелось два возможных пути. Оптимисты – а в те дни большинство струнных теоретиков были оптимистами – ушли за пределы того, что могло бы быть показано, к предположению, что соотношения между специальными симметричными состояниями, которые они смогли проверить в парных теориях, распространяются на все пять теорий. Это означает, что они постулировали, что даже без специальных симметрий всегда имеются эмерджентные струны и что они всегда ведут себя точно подобно фундаментальным струнам другой теории. Это подразумевает, что S-дуальность не просто связывает некоторые аспекты теорий, но демонстрирует их полную эквивалентность.

С другой стороны, несколько пессимистов обеспокоились тем, что, возможно, пять теорий на самом деле были различными друг от друга. Они думали, что достаточно удивительным является уже то, что было даже несколько случаев, в которых эмерджентные струны одной теории вели себя подобно фундаментальным струнам другой теории, но они поняли, что такие вещи могут быть верными, даже если все теории являются различными.

Многие основывались (и продолжают основываться) на том, являются ли правыми оптимисты или пессимисты. Если оптимисты окажутся правыми, тогда все пять оригинальных суперструнных теорий на самом деле являются просто различными путями описания одной теории. Если правы пессимисты, то это на самом деле всё разные теории, а, следовательно, тут нет однозначности, нет фундаментальной теории. Пока мы не знаем, является ли сильно-слабая дуальность приблизительной или точной, мы не знаем, является ли теория струн однозначной или нет.

Один кусочек доказательства в пользу оптимистического взгляда был в том, что сходные дуальности, как было известно, существуют в теориях, которые проще и лучше поняты, чем теории струн. Одним из примеров является версия теории Янга-Миллса, именуемая N = 4 супер-Янг-Миллсовская теория, которая имеет так много суперсимметрии, как это возможно. Для краткости назовем ее максимально супер теорией. Имеется хорошее доказательство, что эта теория имеет версию S-дуальности. Грубо это работает примерно так. Теория имеет в себе множество электрически заряженных частиц. Она также имеет некоторое количество эмерджентных частиц, которые переносят магнитные заряды. Теперь, обычно нет магнитных зарядов, а есть только магнитные полюса. Каждый магнит имеет два, и мы обозначаем их как северный и южный. Но в специальных ситуациях могут быть эмерджентные магнитные полюса, которые двигаются независимо друг от друга, – они известны как монополи. Что происходит в максимально супер теории, так это то, что там есть симметрия, в рамках которой электрические заряды и магнитные монополи меняются местами. Когда это происходит, если вы измените величину электрического заряда на 1, деленную на исходную величину, вы ничего не измените в физике, описываемой этой теорией. Максимально супер теория является выдающейся теорией, и, как мы коротко увидим, она должна была сыграть центральную роль во второй суперструнной революции. Но теперь, когда мы немного понимаем в различных видах дуальностей, я могу объяснить гипотезу, которую Виттен обсуждал на своем знаменитом выступлении в Лос-Анжелесе.

Как я упоминал, ключевая идея сообщения Виттена была в том, что пять последовательных суперструнных теорий все были на самом деле одной и той же теорией. Но чем была эта единственная теория? Виттен нам не сказал, но он описал эффектное предположение о ней, которое заключалось в том, что теория, унифицирующая пять суперструнных теорий, должна была потребовать еще на одно измерение больше, так что пространство теперь имело десять измерений, а пространство-время – одиннадцать.[49]

Это особое предположение впервые было сделано двумя британскими физиками, Кристофером Халлом и Полом Таунсендом, годом ранее.[50] Виттен нашел много доказательств предположения, основанных на дуальностях, которые были найдены не только между пятью теориями, но и между струнными теориями и теориями в одиннадцати измерениях.

Почему объединение струнных теорий должно иметь на одно измерение больше? Свойство дополнительного измерения – радиус дополнительного круга в теории Калуцы-Кляйна – может быть интерпретирован как поле, изменяющееся вдоль других измерений. Виттен использовал эту аналогию, чтобы указать, что определенное поле в теории струн на самом деле являлось радиусом круга, простирающегося в одиннадцатом измерении.