Это цитата сообщения lj_schegloff Оригинальное сообщение

Эпиграф:
"Я не бога не принимаю, пойми ты это, я мира, им созданного, мира-то божьего не принимаю и не могу согласиться принять" - Иван Карамазов

1979 год. Я активно читаю популярную литературу по квантовой физике. Самая обсуждаемая тема - "великое объединение", интеграция электрослабой теории Вейнберга-Салама и квантовой хромодинамики в единую суперсимметричную теорию SU(5). Чтобы признать ее верной, достаточно зафиксировать распад протона - редкое, но в рамках SU(5) все же встречающееся событие. Через несколько книг я уже не сомневаюсь, что протон распадается - ведь об этом говорит такая совершенная, такая красивая теория. Квантовая физика завершена, делать в ней особо нечего, можно заняться чем-нибудь другим. В итоге в 1982 я не еду поступать в Физтех, как все нормальные вундеркинды, а остаюсь прозябать в Перми.

Кризис

2013 год. Я открываю книжку Ли Смолина и чувствую, что возвращаюсь обратно в 1979-ый. Оказывается, протон так и не распался:

Итак, в SU(5) мы имели лучший вид унифицирующей теории, в котором были удивительные следствия, которые не противоречили тому, что мы знаем и можем немедленно подтвердить. Мы могли бы компенсировать экстремальную редкость распада протона, построив гигантскую емкость и наполнив ее ультрачистой водой, чтобы был шанс, что где-то в емкости протон распадется не реже раза в год. Вы должны были бы защитить емкость от космических лучей, поскольку эти лучи, постоянно бомбардирующие Землю, могут разорвать протон на части. Затем, поскольку распад протона производит много энергии, все, что вам было бы нужно, это окружить емкость детекторами и ждать. Средства были выделены, и гигантская емкость была построена в шахтах глубоко под землей. Результат с нетерпением ожидался.

После примерно двадцати пяти лет мы все еще ждали. Ни один протон не распался. Мы ждали достаточно долго, чтобы понять, что унификация SU(5) не верна. Это прекрасная идея, но, кажется, из тех, что природа не приняла

Оказывается, красота теории еще не означает ее правильности; квантовая физика не только не завершена, а уже тридцать лет пребывает в серьезном кризисе:

Крах первой из теорий великого объединения вызвал кризис в науке, который продолжается до сегодняшнего дня. До 1970х теория и эксперимент разрабатывались рука об руку. Новые идеи проверялись в течение нескольких лет, самое большее десяти. Каждое десятилетие с 1780х по 1970е демонстрировало значительный прогресс в нашем понимании основ физики, и в каждом продвижении вперед теорию поддерживал эксперимент, но с конца 1970х не было ни одного настоящего прорыва в нашем понимании физики элементарных частиц.

С конца 70-х, мрачно перечитываю я. Как раз с того самого момента... но как же так, ведь на каждом заборе написано, что "стандартная модель" в точности предсказывает все экспериментальные факты? Вот даже бозон Хиггса недавно открыли, в полном соответствии с предсказанием 1964 года?

Оказывается, что, чтобы защитить массу Хиггса от выталкивания к планковской массе, мы должны настроить константы стандартной модели до ошеломляющей точности: до тридцать второго знака после запятой. Любая неточность в любом месте из этих тридцати двух десятичных разрядов – и Хиггсов бозон окажется намного тяжелее, чем он, как предсказывалось, должен быть.

32 десятичных разряда - как-то очень уж напоминает подгонку решения под ответ. Такую теорию нельзя назвать красивой, но вместе с тем, она правильна. Кризис в физике заключается в том, что мир, как мы его сейчас понимаем, некрасив:

Применяя это к стандартной модели физики элементарных частиц без дополнительных предположений, получаем новое хитроумное изобретение, именуемое минимальной суперсимметричной стандартной моделью, или МССМ. Как отмечалось в главе 1, оригинальная стандартная модель имеет около 20 свободных констант, которые мы подгоняем руками, чтобы получить предсказания, которые согласуются с экспериментом. МССМ добавляет еще 105 свободных констант. Теоретик свободен подогнать их всех, чтобы обеспечить согласие теории с экспериментом. Если эта теория верна, Бог является технологическим дегенератом.

Не правда ли, карамазовских масштабов проблема? У нас есть теория (как в свое время теория Птолемея для движения планет), все что мы по ней рассчитываем, правильно - но сама теория вызывает у нас эстетическое отвращение. Бог создал мир по таким чертежам, которые мы выбросили бы в мусорную корзину. Почему?! Из вредности, или мы просто неверно Его понимаем?

Скорее всего второе, ведь у нас плохо получается понять даже собственные теории:

Не имеет значения, как вы организовали квантовую теорию гравитационных волн, как только вы принимаете за факт, что они взаимодействуют друг с другом, поднимают свою голову бесконечные величины. Не имеет значения, как вы обходили проблему стороной, бесконечности не укрощаются. Много лет работы, множество статей, множество диссертаций на звание доктора философии, множество презентаций на конференциях. Та же самая ситуация. Итог заключался в том, что к 1974 стало ясно, что зависимый от фона подход к объединению ОТО с квантовой теорией не имеет смысла.

Проблема уже не в том, что результаты теорий (моделей) не согласуются с экспериментом; проблема в том, что теории (модели) вообще не дают результатов! Мы равно неспособны запустить работающий термоядерный реактор - и "запустить" работающую теорию (более красивую, чем стандартная модель), в которой не было бы возникающих в ее же собственном формализме проблем. Вот краткая история самого масштабной попытки такого рода - теории струн:

Теория струн пообещала то, что ни одна другая теория до того не могла – квантовую теорию гравитации, которая также является истинным объединением сил и вещества. Она одним смелым и красивым ударом смогла предложить решение, по меньшей мере, трех из пяти великих проблем теоретической физики. Таким образом, неожиданно после многих неудач мы обнаружили золото.

Физики надеялись, что новая теория будет элегантнее и красивее, чем стандартная модель. На деле вышло иначе:

Были теории струн без суперсимметрии, но все они оказались нестабильными вследствие присутствия все тех же надоедливых тахионов. Суперсимметрия уничтожает тахионы, но имеется загвоздка. Суперсимметричная теория струн может быть последовательной только если вселенная имеет девять измерений пространства. Нет такой опции для теории, чтобы она работала в трехмерном пространстве. Если вы хотите получить другие свойства, вы должны будете принять опцию с шестью дополнительными измерениями...

Теперь имелось шесть дополнительных измерений для скручивания, и было много способов сделать это. Большинство из них приводило к сложным шестимерным пространствам, и каждое давало отличающуюся версию теории струн. Поскольку теория струн является зависимой от фона теорией, то, что мы поняли о ней на техническом уровне, это что она дает нам описание струн, двигающихся в фиксированных фоновых геометриях. Выбирая различные фоновые геометрии, мы получаем технически отличающиеся теории. Они происходят из одной и той же идеи, и в каждом случае используются одни и те же законы. Но, строго говоря, каждая является отличающейся теорией.

...Большинство шестимерных пространств описывается списком констант, которые могут быть выбраны свободно. Они обозначают различные свойства геометрии, такие как объемы дополнительных измерений. Типичная теория струн может иметь сотни таких констант.

Не правда ли, это все больше напоминает птолемеевскую космологию? Добавим еще парочку эпициклов, настроим их радиусы - и все заработает. Но после тридцати лет усилий я вполне понимаю теоретиков, которых уже тошнит от всех этих тонких настроек. Наука должна производить красивые и работающие теории, а не те, в которых "Чтобы уместить строчку расчетов на странице, они прибегали ко все большим и большим листам бумаги.".

Но есть ли надежда, что такие теории вообще могут быть созданы? Если нет, то нужно бросать эту работу (как кстати и сделали многие знакомые Смолина). Сам Ли Смолин надеется, что надежда есть. Мне тоже кажется, что истина где-то не здесь, и стоит поискать в кустах, а не под фонарем. Но скажем прямо, первые результаты поисков не впечатляют.

Надежда

Прежде всего, в годы кризис теоретической физики были обнаружены экспериментальные факты, не укладывающиеся в стандартную модель и инфляционную теорию Вселенной. Те самые "два облачка на ясном горизонте", как в конце 19-го века.

1) Ни одно наблюдение в последние тридцать лет не было более опрокидывающим сложившийся порядок, чем открытие в 1998 темной энергии.

[Я бы не стал называть открытие меньшей светимости сверхновых в далеких галактиках открытием "темной энергии". Но физикам виднее.]

2) На самом деле, когда космологи исследовали крупномасштабные моды в микроволновом фоне, они нашли много головоломок. Предметом веры среди космологов является то, что на самых больших масштабах вселенная должна быть симметрична – то есть, любое заданное направление должно выглядеть как любое другое. Это не то, что наблюдается. Излучение на этих крупномасштабных модах не симметрично; имеется предпочтительное направление. (Оно было названо «осью зла» космологами Кэт Лэнд и Жоао Магуэйджо.

[Странно, что несимметричность в спинах нейтрино воспринимается как мощная идея для калибровочных теорий, а несимметричность в реликтовом излучении - как какая-то аномалия. Но физикам опять же виднее.]

3) "темная материя", как названы аномальные скорости звезд в галактиках:

Когда что-то удаляется от центра галактики, ускорения уменьшаются, и тут оказывается критический темп, который отмечает нарушение ньютоновского закона гравитации. Как только ускорение звезды превысит эту критическую величину, ньютоновский закон кажется работающим, и наблюдается предсказанное ускорение. В этих случаях не нужно постулировать никакой темной материи. Но когда наблюдаемое ускорение меньше, чем критическая величина, оно больше не согласуется с предсказанием закона Ньютона.

Что это за специальное ускорение? Оно измерено и равно 1,2 х 10-8 сантиметров в секунду за секунду.

Аномальное движение можно объяснять не только "темной материей", но и куда более еретически: изменением закона всемирного тяготения через поправочный коэффициент (поручики, молчать, я сам знаю, что это очередной эпицикл):

Я беседовал о MOND с несколькими из наиболее одаренных теоретиков, кого я знаю. Часто это происходило примерно так: Мы начинали говорить о некоторых серьезных проблемах генерального направления, и один из нас упоминал галактики. Мы бросали друг на друга быстрый взгляд понимания, и один из нас произносил: "Так вы тоже беспокоитесь по поводу MOND," как будто признавался в секретном пороке. Затем мы делились нашими сумасшедшими идеями – поскольку все идеи по поводу MOND, которые не являются сразу неправильными, оказываются сумасшедшими.

MOND это MOdified Newton Dynamic Милгрома, 1983 год - та самая теория с поправочным коэффициентом. Теория, конечно, ad hoc, как первая формулировка закона Кеплера... но надо же с чего-то начинать. И тот факт, что "наиболее одаренные теоретики" беспокоятся насчет этой теории, вселяют надежду: им хочется, чтобы физика все же производила красивые теории.

Остальные факты, приведенные Смолиным, не подтвердились - с 2006 года была и решена "загадка Пионеров", и опровергнуты результаты AGASA по проверке предсказания GZK о пределе энергии протонов в космических лучах.

Как же сам Смолин представляет себе направления, на которых можно построить более красивую теорию? В конечном счете, наиболее интересной в 2005 году ему казалась "петлевая теория гравитации" (более правильно, наверное, называть ее квантовой теорией пространства, но поскольку у физиков пространство это и есть гравитация, то и так сойдет):

В последнюю весну (2006) мне случилось увидеть препринт молодого австралийского физика, занимающегося частицами, по имени Сандэнс О. Бильсон-Томпсон. В нем он представил простое сплетение лент, которое совершенно замечательно точно ухватывает структуру преонных моделей физики частиц, которые я обсуждал в главе 5. (Вспомните, что эти модели постулируют гипотетические частицы, называемые преонами, как фундаментальные составляющие протонов, нейтронов и других частиц стандартной модели, считавшихся элементарными.) В его модели преон есть лента, и различные виды преонов соответствуют лентам, закрученным вправо, влево или совсем никак. Три ленты могут быть сплетены вместе, и различные способы сделать это точно соответствуют различным частицам стандартной модели.

Однако реальность так просто не сдается - уже после выхода книги появились результаты анализа гамма-вспышки, не согласующиеся с "петлевой теорией". Три нехороших высокоэнергетических фотона убивают очередную прекрасную теорию.

Ну а теперь, что я сам по этому поводу думаю. Начну с цитаты:

"Нильс Бор был даже более экстремальным случаем. Мара Беллер, историк, которая детально изучала его работу, отмечает, что в его исследовательской записной книжке не было ни единого расчета, а только словесные аргументы и картинки."

Можно ли себе представить современного физика, проводящего исследования с помощью "словесных аргументов и картинок"? Разве что в кошмарном сне. Так что ничего общего с физикой мои размышления не имеют, разве что с "безумными идеями".

Итак, после прочтения книги Смолина у меня исчезли последние сомнения в том, что пространство и время являются чем-то "материальным", вроде всемирного эфира или гравитационного поля (физики могут поднять меня на смех - ведь пространство-время и есть гравитация; ну им виднее). Далее я собираю в одну кучу разрозненные соображения:

1) радиус видимой части Вселенной очень похож на горизонт черной дыры с ее массой этой видимой части - это для меня является серьезным намеком, что за пределами видимой части может и не оказаться никакой другой части,

2) "нелокальность" квантовых взаимодействий (впервые выявленная Аспеком в 1982, но окончательно подтвержденная совсем недавно) не менее прозрачно намекает, что пространство-время не то, что мы о нем думаем, - для кванта поля, вроде фотона, оно совсем другое, чем для нас - для нас точки сферы в 80 км диаметром находятся на разных (вплоть до 160 км) расстояниях друг от друга, для фотона они все одна и та же точка;

3) всемирное тяготение (то есть кривизна пространства-времени), по-видимому, достаточно разное на разных масштабах - субгалактических, галактических и уровня скопления галактик - это опять же намекает, что "космологическая постоянная", она же "темная энергия", проявляющаяся на границе видимой части, вполне может быть таким же следствием этих различий, как и "темная материя".

Таким образом, мне нравится желание Смолина "копать" в направлении квантовой теории гравитации, то есть пространство-времени. Исходя из сегодняшних данных, собака скорее всего зарыта где-то там.

UPD. Еще о кризисе в современной физике.

http://schegloff.livejournal.com/726332.html