Парадоксальное положение современной физики.

[pmn_2]

Меня тут попросили написать текст про теорию струн. Я было затеял писать, но быстро оказалось, что для объяснения почему сделано то или иное, почти всегда надо давать предысторию, иначе совсем не ясны мотивы поступков. Поэтому текст вышел про физику XX века вообще.



1) Филисофичное и биологичное. Откуда взялась наука и зачем она нужна?

Почему-то науку обычно полагают продуктом чистого разума. Из-за этого её определяют то как «любопытство за казенный счет», то, как возвышенное занятие «людей с хорошими генами». На самом деле, хоть форма науки и продукт разума, её причины и истоки сугубо биологические. Наш мозг состоит из лимбической системы, коры и новой коры. Животные, не оснащенные корой вообще, практикуют чисто инстинктивно-гормональное поведение. Т.е. по триггерам от органов чувств или встроенного календаря включаются определенные программы поведения, зашитые с рождения. Группы программ переключает гормональный механизм. Наличие коры мозга дает такую ценную вещь, как адаптивное поведение. Т.е. возможность вырабатывать новые поведенческие программы в течение жизни. Это позволяет ещё более интересную вещь - формирование поведения на основе предсказания происходящего. Т.е. кот, сидящий у стола и смотрящий на котлету, рассчитывая её стянуть, когда хозяин отвернется, строит своё поведение, исходя из предсказания поведения хозяина. А поскольку у нас поверх коры мозга наросла ещё более мощная новая кора, наша способность моделировать мир для формирования собственного поведения на порядки выше кошачьей. Но именно из вполне животной потребности в понимании и предсказуемости окружающей среды и выросла вся человеческая наука.

2) В Багдаде всё спокойно. В физике всё открыто.
Конец XIX века казался современникам золотым веком физики. В 1900 году Вильям Томсон лорд Кельвин объявил, что физика закончилась. И для этого были все основания. Мир был понятен и строен. Вещество состояло из кексиков-атомов, набитых изюмом-электронами, собиравшихся в молекулы. Из атомов состояли планеты и звезды, образовавшие вечную неизменную безграничную вселенную, всё в которой, от атома до звезды, двигалось по законам Ньютона. Вселенная плавала в мировом эфире как океане, волнами которого было электромагнитное излучение, описываемое уравнениями Максвелла. Мир был детерминирован. Физик конца XIX века был уверен, что если знать скорости и положения всех атомов во вселенной в произвольный момент, то можно со 100% точностью предсказать всю её историю и всё её будущее.

3) Бомба в торте.
То, что произошло дальше, более всего напоминает сцену из комедии, когда группа кондитеров наносит последние штрихи крема на гигантский торт, и секундой позднее окончания работы торт взрывается. Кондитеры, покрытые ошметками торта, обрывками одежды и копотью, стоят с открытыми ртами и глазами какающей белочки, смотря на крушение результатов своего труда. Примерно это же случилось с физикой в начале ХХ века.
Квантование излучения, открытое Планком и Эйнштейном, закон радиоактивного распада Резерфорда, теория относительности. Неделимые атомы не только оказались делимыми, но и стали распадаться, открыв целый мир квантовых частиц. Казавшиеся абсолютными и фундаментальными пространство и время, внезапно стали относительными и изменчивыми, а вскоре пал и сам мировой эфир. Механика Ньютона внезапно стала частным случаем теории относительности.

4) Это как же, вашу мать, извиняюсь, понимать?
По мере развития квантовой физики, становилось всё более ясно, что квантовые частицы не ведут себя как маленькие шарики, т.е. не желают жить по законам Ньютоновской механики, даже при учете дополнений Эйнштейна. В результате, усилиями Шредингера, Гейзенберга, Бора, Борна, а потом Дирака была создана квантовая механика, описывающая динамику частиц. Основными её свойствами стали одновременная трактовка частицы как волны, квантование, принцип неопределенности, запрещающий одновременное знание координат и импульса частицы, вероятностный характер движения частиц и принципиальную зависимость наблюдаемого явления от факта наблюдения.
Естественно встал вопрос: «Как всё это понимать?» Что же там происходит на самом деле? Что же такое частица, если закон природы запрещает нам одновременно знать ей импульс и положение, а её движение не детерминировано, а вероятно. Причем вероятность возникает не от того, что мы чего-то не знаем, а от того, что что-то знать невозможно в принципе. Как понимать процессы, и парадоксы описанные формулами? Или, говоря умными словами, вопрос интерпретации квантовой механики.

5) И треснул мир напополам, дымит разлом!
Для ответа на это животрепещущий вопрос, Бор и Гейзенберг засели в Копенгагене в 1927 году и придумали набор ответов, который был назван копенгагенской интерпретацией. Совсем просто, она звучит так. Мир в принципе не детерминирован. Не ломайте голову что там, у частиц творится, раз мы можем посчитать результаты эксперимента, значит всё хорошо.
Тут уже взбрыкнули Эйнштейн и Ко. «Я убеждён, что Бог не бросает кости!» «Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на неё смотрите?» Кроме того, квантовая механика оказалась не полностью совместима с общей теорией относительности (ОТО).
Физическое общество раскололось. Большинство физиков оказались в ВКП(б) - Всемирной Квантомеханической Партии большевиков, а Эйнштейн в рядах меньшевиков - уклонистов.
Эйнштейн и его сторонники долгое время пытались создать свою единую теорию поля, которая бы описала физику частиц без квантомеханических парадоксов, но, как и положено меньшевикам, потерпели поражение. Создать альтернативу квантовой механике не удалось.

6) Каждому физику по частице и три кварка для мистера Марка! Рождение Стандартной модели.
Тем временем, количество открытых квантовых частиц росло столь бодро, что в 50-х годах злые языки стали рисовать кривые числа физиков и числа «элементарных» частиц, для определения их точки пересечения, в которой каждый физик получит по собственной частице. Стало ясно, что большинство части видимо совсем не элементарные. В итоге к 70-м список фундаментальных частиц и античастиц был сформирован из 12 кварков, 12 лептонов и 5 бозонов. Частицы описывали электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Всё это назвали Стандартной моделью.

7) Успехи и недостатки Стандартной модели. Четыре фундаментальных взаимодействия. Проблема интерпретации.
Основной успех Стандартной модели состоял в том, что на своём поле деятельности из трех фундаментальных взаимодействий она оказалась почти всемогуща. Т.е. эксперименты идеально подтверждали расчеты и предсказания. Очередным недавним триумфом стало открытие последнего калибровочного бозона - бозона Хиггса, отвечающего за инертную массу, предсказанного ещё в 1964 году. Более того, Стандартная модель предсказывает, что при высоких энергиях, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия объединяются, т.е. они фактически являются разными проявлениями одного единого взаимодействия.
Недостатки же, увы, не менее значимы. Как Эйнштейну не удалось пробиться на квантомеханическое поле, так и Стандартная модель не способна присоединить четвертое фундаментальное взаимодействие - гравитацию. Т.е. мы знаем, как работает гравитация в масштабах планет и галактик, но не представляем что это такое на квантовом уровне. Не удается полностью примириться с ОТО. И проблема интерпретации по-прежнему не решена. Т.е. физики могут посчитать поведение частиц и предсказать результаты экспериментов, но объяснить, что же за реальные процессы описывают формулы, возможно очень не всегда. И, наконец, есть вопрос «Почему?» Почему фундаментальных частиц и взаимодействия именно столько? Почему они именно такие? Стандартная модель описывает их, но не дает ответа.
Очевидно, что следующая теория должны, как минимум, ликвидировать эти недостатки, включив в себя достоинства. Примерно так же, как в своё время физика Эйнштейна включила в себя физику Ньютона в качестве частного случая.
Ситуация со Стандартной моделью чем-то смахивает на ситуацию XIX века с таблицей Менделеева. Менделеев классифицировал химические элементы и позволил предсказывать новые элементы и их свойства. Но ответ на вопрос, почему элементы именно такие и почему их столько, дать не смог. На него уже ответила модель атома Бора. Подобного прорыва ждут и от новой физики.

8) Струны. Предыстория. Начало.
В 1914 Нордстрём обнаружил, что если решать уравнения, описывающие электромагнетизм в четырехмерном пространстве (т.е. время будет пятым измерением), то гравитация вытекает из них же. Нордстрём предположил, что четвертое измерение свернуто до размера менее длины световой волны, а потому мы его не видим. На то момент сильное и слабое взаимодействия ещё не были открыты, и теория Нордстрёма казалась единой теорией поля. Но, увы, предсказания теории разошлись с ОТО Эйнштейна и не подтвердились и её забыли.
В 1919 к четырехмерному снаряду подошел Калуцы. Новая теория включала в себя и ОТО. Вышло опять неудачно. А главное, вскоре открыли слабое и сильное взаимодействия, которые из четырехмерного пространства не вырисовывались.
В 1968 году Венециано обнаружил, что некоторые взаимодействия частиц отлично описываются формулой, которую Эйлер когда-то вывел для колебаний струны. В 1970 году Намбу, Гото, Нильсен и Сасскинд попытались представить взаимодействующие частицы как одномерные растягивающиеся и колеблющиеся струны. И тут вспомнили о забытой фишке с дополнительными измерениями. К 1974 году удалось создать первую струнную модель, которая не описывала всех частиц, зато имела 25 пространственных изменений и содержала тахион - частицу, движущуюся быстрее скорости света (вот откуда тахион вылетел на страницы фантастики и в сочинения шарлатанов). И, наконец, в 1984-86 годах удалось создать теории для 9-мерного пространства, включающие все частицы и безо всяких тахионов и порчей экзотики. Это был триумф.

9) Чего все так возбудились?
И правда, чем теория струн так пленила физические массы?
Во-первых, теория струн описала все имеющиеся частицы и взаимодействия, включая гравитацию. Причем описала, используя один базовый объект - одномерные струны в многомерном пространстве. Струны могли колебаться, растягиваться, образовывать кольца, соединяться и разделяться. Из этих свойств струн получались все частицы и взаимодействия. Один объект с очевидными свойствами вместо почти трех десятков фундаментальных частиц и четырех взаимодействий, которые вроде как и похожи и разные.
Во-вторых, вся теория относительности вполне очевидно вытекала из струнных расчетов. Т.е. не только вписывалась в новую теорию, но и была в ней прямо необходима.
В третьих, открывался новый подход к проблеме интерпретации. Если частицы одномерные струны в многомерном пространстве, то логично, что они не ведут себя как трехмерные шарики.
Говоря проще, получилась теория всего, причем теория с простыми базовыми объектами и их свойствами.

10) Макроотступление.
Тут придется немного отвлечься, т.к. в таинства микромира вторгается макромир. Как я писал вначале, со времен древних греков и до XX века вселенная считалась вечной и неизменной. Эта чудная картина разбилась вдребезги под ударом теории относительности. Согласно уравнениям Эйнштейна, вселенная могла быть неизменной, сжимающейся и расширяющейся, в зависимости от коэффициентов. Сразу же возникла масса теорий на эту тему.
Очевидно, что теории расширяющейся вселенной неизбежно приходили к выводу, что когда-то вселенная была очень маленькой и плотной, что и вывел в 1922 году Фридман из уравнений Эйнштейна, создав теорию Большого Взрыва.
Тут следует заметить, что астрономы - единственные ученые, обладающие машиной времени. В этом качестве выступает свет. Проксиму Центавра мы видим такой, какой она была 4 года назад, т.к. её свет летел до нас 4 года. Соответственно, соседние галактики мы видим такими, какими они были миллионы лет назад, а самую дальнюю из известных галактик от нас отделяет более 14 млрд. лет.
В 1929 году Хаббл соотнес расстояния до известных галактик с красным смещением их звезд и обнаружил, что галактики удаляются от нас, причем, чем дальше они, тем быстрее. Наблюдения отлично легли на решения уравнений Эйнштейна для расширяющейся вселенной. В 1948 году Гамов предсказал, что один этапов Большого Взрыва сопровождался микроволновым излучением, которое обозвали «реликтовым», и в 1965 Вильсон его обнаружил.
Так что к 70-м годам картина вселенной снова была стройной и красивой. Большой взрыв, породивший расширяющуюся вселенную, которая когда-нибудь, под действием гравитации, сожмется обратно.

11) Неожиданный поворот. Вселенная на 96% состоит из … костылей!
К началу 80-х картина опять испортилась. Подробные расчеты показывали, что структура текущей вселенной не желает высчитываться из взрыва. Промежуток между горячей вселенной, сразу после взрыва, и «темными веками», когда вселенная была заполнена холодным водородом, который ещё не собрался в звезды, оказался маловат. Пришлось добавить между взрывом и «темными веками» период экспоненциального расширения вселенной, которое назвали «инфляцией». Причиной инфляции было названо неизвестное поле, которое стало первым костылем, подпершим вселенную.
Второй костыль возник не столь резко. Ещё с начала XX века астрономы пытались рассчитать объём материи во вселенной. Для этого есть два способа. Во-первых, горячая материя - звезды и черные дыры, излучает, а холодная материя, газ - пыль и планеты, поглощает излучение. Во-вторых, скорости вращения звезд в галактиках и галактик в метагалактике зависят от их масс. И, наконец, исходя из возникновения всех элементов путем термоядерных реакций в звездах и зная возраст того или иного участка вселенной, можно определить соотношение в нем химических элементов. В середине 60-х стало ясно, что наблюдаемый объём массы вселенной не очень соответствует её гравитационному поведению. Наблюдаемой массы меньше. К 70-м проблему уточнили и дефицит наблюдаемой массы стал очевидным. Ненаблюдаемую массу назвали «темной материей», т.к. она не взаимодействует с электромагнитным излучением. К 80-му году она стала общепризнанной.
Третий костыль возник в 90-х, когда скорости галактик и параметры реликтового излучения измерили более точно. Оказалось, что вселенная расширяется ускоренно. Учитывая сколько массы в неё влили, при введении темной материи, результат неожиданный. Пришлось срочно наполнить вселенную темной энергией - эдакой антигравитацией неизвестной природы, которая расширяет вселенную.

12) Струны. Вечер перестает быть томным.
Собственно первая проблема теории струн всплыла очень быстро. В зависимости от того, как были свернуты дополнительные измерения и как струны взаимодействовали с ними, можно было получить совершенно разные теории. А придумать эксперимент для выбора правильной не удалось. Т.е. теория струн на самом деле оказалась целым ландшафтом струнных теорий.
Второй проблемой стали темная материя и темная энергия. В тот самый момент, когда струнные теоретики пили шампанское, празднуя покорение Стандартной модели, астрономы огорошили их сообщением, что вселенная состоит на 96% из чего-то неизвестного. Между тем, ни одна струнная теория темной материи и энергии не содержала и не предсказывала.
Теории доработали и тут подлянку преподнес Большой гудронный адронный коллайдер, который во многом и строили ради теории струн. Он обнаружил бозон Хиггса, предсказанный Стандартной моделью, но совершенно не обнаружил частиц, предсказанных теорией суперсимметрии, которая возникла из теории струн и которая объясняла темную материю.
Нет, конечно, теории струн всё вышесказанное не опровергает. Физики нарисуют их ещё пятачок за пучок. Но неприятный осадок остался. Хорошие теории обычно объясняют неожиданные открытия, а не переписываются под них.
За тридцать с гаком лет струнным теоретикам так и не удалось сформировать единую теорию с проверяемыми последствиями, не смотря на огромные человеческие и финансовые затраты.

13) Картина Репина «Приплыли».
Итак, возвращаясь к началу, к чему же мы пришли? С одной стороны, мы знаем о мире как никогда много и можем посчитать и предсказать очень много. С другой стороны, неожиданно оказались в мире, состоящем непонятно из чего, двигающегося под действием непонятно каких сил во вселенной, большая часть объёма которой возникла при непонятном инфляционном расширении. И вокруг всего этого носится толпа физиков, тратя огромные деньги и сочиняя невероятные по сложности теории, которые совершенно невозможно проверить.