Теория суперструн: в поисках выхода из кризиса

Частично свернутые многомерные пространства — ключевые элементы современной теории квантовой гравитации (изображение с сайта urss.ru)

Теория суперструн — главная надежда на «теорию всего» — находится в кризисе. Похоже, что она может описать какой угодно мир, а значит, не способна ничего предсказывать. Поиском выхода из тупика заняты сейчас многие теоретики.

Теоретическая физика, изучая всё более глубинное устройство нашего мира, становится всё более математизированной наукой. В работах по квантовой гравитации — одному из самых активных направлений этих исследований — изучаются скорее симметрии различных многомерных структур, чем свойства реального мира. Почему же физикам пришлось настолько отрываться от окружающего мира и влезать в эти математические джунгли? В чем смысл этих исследований?

Отчасти, эта ситуация повторяет попытки ученых XIX века понять закономерности в устройстве материи. К тому времени было выяснено, что всё многообразие физических и химических свойств должно получаться из основных свойств небольшого числа химических элементов, но долгое время не удавалось нащупать этот фундаментальный закон. Перед учеными стояла задача: имея перед глазами набор макроскопических свойств веществ, попытаться угадать микроскопические степени свободы, из которых бы и складывались свойства материи. Тогда никто не говорил про симметрии, но именно поиском таких симметричных структур фактически и занимались ученые. Такая структура лежала и в основе найденного Менделеевым периодического закона, который спустя несколько десятилетий был полностью объяснен квантовой физикой.

Сейчас физики, занимающиеся теорией струн, ищут точно такую же закономерность, но уже в устройстве элементарных частиц, их взаимодействий, а также самого пространства-времени. Всяческие струны, сложные многомерные пространства и прочие геометрические объекты вводятся как раз для того, чтобы нащупать тот более глубокий уровень устройства нашего мира на сверхмалых расстояниях, из которого следовали бы основные макроскопические свойства Вселенной. Точно так же, как в середине XIX века атомная гипотеза казалась наиболее удачной для объяснения свойств веществ, сейчас гипотеза о частицах-суперструнах кажется наиболее «экономичной» математической теорией для описания свойств частиц, их взаимодействий и пространства-времени. (Подробности о теории суперструн можно найти в русскоязычной версии официального сайта теории струн.)

Есть, однако, очень важное различие между разработкой атомной теории строения вещества и современными исследованиями суперструн. Свойства атомов самым непосредственным образом сказываются на свойствах веществ. Например, если бы периодический закон был слегка иным, он бы сразу привел к совсем иному набору химических свойств веществ. В теории суперструн такой прямой связи нет: несколько теорий, различающихся на сверхмалых расстояниях, могут привести к одному и тому же макроскопическому миру. Это неудобно, так как трудно проверить, какая из теорий больше подходит для описания мира, но это еще полбеды. Оказывается, даже одна и та же суперструнная теория при различном наборе значений параметров может привести к самым разнообразным макроскопическим «мирам».

Складывается очень неприятная ситуация (на сленге суперструнщиков она получила название «проблема ландшафта»): такое ощущение, что, каким бы ни был наш макроскопический мир, всегда найдутся описывающие его параметры суперструнной теории. Под угрозой оказывается одно из самых главных свойств научной теории — ее фальсифицируемость, а значит, и способность к конкретным предсказаниям.

В последние год-два ситуация настолько накалилась, что на прошедшей недавно конференции String 2005 звучали призывы к ревизии всей суперструнной программы исследований. Эта ревизия стала главным мотивом и некоторых свежих статей.

В недавней статье hep-th/0509157, названной «25 вопросов для суперструнщиков», была предпринята попытка выявить те направления исследований внутри теории суперструн, которые приблизили бы ее к «реальной жизни», т. е. связали бы ее с наблюдамыми свойствами макроскопического мира.

В другой работе, hep-th/0509212, говорится, что с предсказательной способностью теории суперструн не всё так плохо, как утверждают скептики. Да, соглашается автор, количество вариантов устройства нашего мира, которые могут вытекать из одной и той же теории, действительно велико. Однако есть подозрение, что количество вариантов, не вытекающих ни из каких суперструнных теорий, еще больше. Автор призывает теоретиков заняться поиском и классификацией именно таких вариантов. Если это подозрение подтвердится (а для этого потребуется доказать несколько математических теорем), то ситуация слегка улучшится: теория суперструн станет, по крайней мере отчасти, фальсифицируемой.

Отдельно стоит отметить и комментарии к этой статье, появившиеся в блогах Любоша Мотля, тоже работающего в теории струн, а также математика Петера Войта, известного своим крайне отрицательным отношением ко всей суперструнной деятельности.

Есть ли выход из кризиса в теории суперструн, должно показать ближайшее будущее. Однако хочу подчеркнуть, что такого рода кризисы уже случались в теоретической физике XX века. Например, потребовалось почти двадцать лет для того, чтобы математически корректным образом решить проблему расходимостей в квантовой теории, в результате чего появилась теория перенормировок — новый математический язык для решения физических задач. Не исключено, что и в нашем случае новый, неведомый еще математический подход сможет решить проблему.

Игорь Иванов

Последние новости: Физика, Игорь Иванов