«Начинаем считать — офигеть»
Брайан Грин рассказал «Ленте.ру» о суперструнах, амплитуэдре и социальном контроле (2 октября 2013 г).
Сокращенное изложение интервью...

В сентябре 2013 года в Москву по приглашению Политехнического музея приехал Брайан Грин. Знаменитый физик, специалист по теории струн, профессор Колумбийского университета, он известен широкой публике в первую очередь как популяризатор науки и автор книги «Элегантная Вселенная». В Москву Грин привез мультимедийный спектакль по мотивам своей новой (на этот раз детской) книжки «Икар на краю времени». «Лента.ру» поговорила с Брайаном Грином о теории струн и недавних трудностях, с которыми столкнулась эта теория, а также о квантовой гравитации, амплитуэдре и социальном контроле.
- читать дальше
«Лента.ру»: Брайан, расскажите, как вообще люди пришли к теории струн?.......

Брайан Грин: История теории струн отличается от обычной истории других теорий. Во-первых, у нее нет одного первооткрывателя. В 60-е годы прошлого века один джентльмен, Габриэль Венециано, занимался изучением взаимодействия протонов — сейчас мы называем это сильным взаимодействием. Оказалось, что взаимодействие описывается некоторой математической функцией (почему именно такой, Вененциано, в общем-то, не знал). Когда на эту формулу посмотрели другие физики — Леонард Зюскинд, Хогар Нильсен и другие, они увидели, что уравнение, которое получилось у Венециано, на самом деле описывает вибрирующую в некотором пространстве струну. Поэтому возникла идея, что для описания того, как взаимодействуют частицы, можно представлять их связанными своего рода струнами.
Позже ученые обнаружили, что струнные уравнения довольно плохо согласуются с новыми экспериментальными данными. В то же время подход на основе квантовой хромодинамики давал более точное согласование, поэтому от идеи струн отказались. В физике если от идеи отказываются, то отказываются обычно навсегда. Однако тут произошло удивительное: оказалось, что если использовать идею струн в другом контексте, не как Вененциано — для описания, скажем, не взаимодействия частиц, а гравитационного взаимодействия, то она вроде бы на первый взгляд отлично справляется с задачей. Более того, оказалось, что «струнный» подход позволял объединить квантовую механику и гравитацию в единую схему работы. То есть претендовал на звание теории всего.
Это произошло примерно в 1974 году. Еще 10 лет ушло на то, чтобы построить непротиворечивый математический аппарат этой теории, то есть чтобы уравнения, грубо говоря, не противоречили друг другу и в определенном смысле не самоуничтожались. Сделано это было силами Майкла Грина и Джона Шварца. Поэтому именно 1984 год можно считать временем появления теории струн на «карте» физики.
Удивительное свойство теории струн заключается в том, что она не содержит свободных параметров. То есть все числа выводятся непосредственно из теории. Из-за этого может показаться, что теория струн — теория с самым большим, так сказать, предсказательным потенциалом за всю историю физики.
Но это совсем не так. Теория струн требует наличия дополнительных измерений, которые должны быть устроены довольно хитрым образом. Например, они компактифицированы — то есть свернуты особым образом до достаточно малых размеров. Изначально была мысль, что устройство этих измерений будет некоторым образом следовать из формул, которые у нас есть. Но вывести эти свойства нам пока не удалось. Более того, есть определенная убежденность, что и не удастся. То есть в каком-то смысле свободные параметры Стандартной модели превращаются в свободу выбора геометрии дополнительных измерений. И эта свобода выбора может оказаться фундаментальным свойством теории струн.
Почти с самого начала ученые воспринимали всерьез только одну версию теории струн — суперсимметричную (то есть теорию суперструн — прим. «Ленты.ру»). Она включала в себя не только идеи, заложенные в оригинальных работах 1960-1970 годов, но и позволяла описывать частицы материи. Это, конечно, усложнило уравнения, но позволило создать теорию, которая не только объединила гравитацию и квантовую механику, но и добавила в эту смесь материю. Ведь всякая разумная теория должна включать в себя материю.


Есть расхожее мнение, что теорию струн невозможно проверить экспериментально. Например, определить форму дополнительных измерений. Насколько верно это утверждение?.......

Ответ на первую часть вашего вопроса довольно прост: экспериментальная проверка теории струн возможна. Просто у нас пока нет достаточно мощных ускорителей.

Зачастую разные ученые под теорией струн могут понимать разные вещи. Верно ли, что за этой вывеской скрывается несколько теорий?.......

Я прекрасно понимаю, о чем вы говорите, но я бы так не сказал. Я бы сформулировал это по-другому: теория струн — это единый теоретический инструмент, позволяющий формулировать модели того, как Вселенная в принципе может работать. При этом какого-либо критерия отбора модели, имеющей отношение к нашей конкретной Вселенной, у нас нет.
Есть идея, что так получилось, потому что каждая из этих моделей в некотором смысле реальна — просто она описывает какую-то другую Вселенную, где-то там, далеко. Такая вот радикальная интерпретация наших неудач.

Применительно к теории струн регулярно вспоминают теорию Янга-Миллса (с ней связан один из вопросов, за решение которых Математический институт Клэя обещал миллион долларов). Расскажите, что это такое?.......

В 50-е годы прошлого века ученые обнаружили (тогда без участия идей из теории струн), что уравнения для описания сильного и слабого взаимодействия в квантовой механике можно записать в особой симметричной форме. Симметрии, о которых идет речь, напоминают симметрии снежинки — если ее поворачивать на некоторый угол, то она переходит сама в себя. Так же и эти уравнения после определенного «поворота» оказывались такими же.
Такой подход оказался очень удобным, и физикам удалось много чего посчитать с его помощью. Сами Янг, Миллс и их последователи смогли заложить единую (и очень изящную с математической точки зрения) основу для Стандартной модели.
Эту теорию вспоминают в контексте теории струн, потому что она очень естественно возникает из ее уравнений. То есть пойди история теоретической физики немного по-другому (вполне возможно, так и произошло где-нибудь на другой планете или в другой Вселенной), теория Янга-Миллса была бы обычным следствием теории струн.


То есть этот факт можно рассматривать как теоретическое (а не экспериментальное) подтверждение теории струн?.......

В некотором смысле — да. В такую игру с теорией струн можно играть достаточно долго: из теории струн естественным образом вытекает теория Янга-Миллса, разного рода дискретные симметрии, играющие важную роль в квантовой механике. Теория струн также позволяет объяснить, почему элементарные частицы объединяются в семейство — например, фермионы и бозоны. То есть многое из того, что приходилось добавлять в уравнения вручную, исходя из экспериментальных соображений, в теории струн возникает само собой. Это не является, конечно, доказательством истинности теории, но с математической точки зрения означает, что теория включает в себя все, что мы знали до сих пор.
Теория всего - гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное). Первые три взаимодействия описываются в настоящий момент квантовой механикой, последнее - теорией относительности.

Теория струн не единственная претендует на звание теории всего. Расскажите про ее основных конкурентов.......

Пожалуй, лучше всего развита петлевая квантовая гравитация.
Петлевая гравитация пытается склеить ТО и квантовую механику. Для этого уравнения Эйнштейна переписываются совсем в другом (но эквивалентном исходному, это важно) виде, в совершенно других переменных. При этом оказывается, что в таком виде уравнения уже поддаются квантованию, пусть и не совсем классическому. Полученные при этом квантовые переменные могут пониматься как петли — отсюда и название. Насколько эти петли связаны с нашими струнами и связаны ли вообще (все-таки звучит похоже), мы пока не знаем.

Есть ли какие-нибудь еще теории?.......

За годы их было довольно много (скажем, причинная динамическая триангуляция), но ни одна из них не была доведена до уровня теории струн или теории петлевой гравитации. В частности, конечно, в вопросах внутренней непротиворечивости последних была проделана огромная работа, намного опередившая остальных конкурентов.

В 70-х годах прошлого века Стивен Хокинг заинтересовался вот каким вопросом: что происходит с материей, когда она падает в черную дыру? Ученые до него сказали бы, что все понятно — материя падает, пропадает, она в черной дыре, конец. Однако Хокинг обнаружил, что черные дыры могут излучать. Это означает, что как минимум часть материи, попавшей в черную дыру, попадает наружу в виде излучения. Свое открытие Хокинг сделал, добавив в теорию относительности немного квантовой механики. Он не объединил эти теории полностью, но объединил их в достаточной мере, чтобы делать конкретные космологические предсказания, которые позволяли кое-что в этой самой космологии объяснить.
В 1997 году Хокинг уже на пару с Кипом Торном заключил пари (на полное издание Британской энциклопедии) с Джоном Прескиллом, профессором Калифорнийского технологического института и директором Института квантовой информации. Прескилл утверждал, что информация в черной дыре не исчезает — просто мы не в состоянии расшифровать то, что дыра излучает. В августе 2004 года на Международной конференции по общей теории относительности и космологии в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла и предложил примерный механизм излучения информации (правда, не принятый до конца научным сообществом). Ключевую роль в этом механизме играла AdS/CFT-двойственность.
Как бы то ни было, возник вопрос. Квантовая механика требует, чтобы информация сохранялась. Это означает, что излучение дыры должно нести информацию о том, что в нее попало. Однако расчеты Хокинга показали, что излучение дыры имеет тепловой спектр. Это означает, что дыра излучает как абсолютно черное тело определенной температуры — в частности, это излучение не несет никакой информации о том, что в эту самую дыру упало. Возникает проблема исчезновения информации в черной дыре, которую сам Хокинг считал вовсе не проблемой, а просто законом природы. Мол, так устроена жизнь и информацию можно уничтожить.
Потом пришла теория струн. В 90-х годах прошлого века было обнаружено так называемое AdS/CFT-соответствие — важный теоретический результат, из которого вытекало, что информация внутри черной дыры не теряется.

Я недавно прочитал про одно интересное применение N=4 суперсимметричной теории. В заметке в Quanta Magazine утверждалось, что физикам удалось обнаружить связанный с ней замечательный объект.......
О, вы говорите про амплитуэдр!
Да, про него.

Это очень интересный и важный результат. Дело в том, что может так случиться, что традиционные методы вычислений в квантовой теории поля, разработанные еще самим Ричардом Фейнманом, не оптимальны. Точнее, даже совсем не оптимальны — вычисления можно делать легче и быстрее. В частности, это может объяснить, почему эти самые вычисления такие сложные — редко когда удается посчитать что-то с точностью выше второго-третьего порядков.
Авторы работы про амплитуэдр, по сути, пытаются свести расчеты к вычислению объема некоторой очень сложной, красивой, многомерной фигуры. Как вычислить объем такой фигуры? Нужно поместить ее в подходящую многомерную воду и посмотреть на объем, который она вытолкнет. Но если я разобью эту фигуру на миллион кусков, то измерить тот же объем в миллион раз сложнее — нужно померить объем каждого куска и сложить их.

В заключение не могу не спросить вас о вашей книге и мультимедийном спектакле «Икар на краю времени».......

Моя книжка, на основе которой поставлен спектакль, — для детей и немного для родителей. Это довольно сильно отличается от того, что я делал раньше. Это переосмысление древнегреческого мифа об Икаре — мальчике, который вопреки предостережениям своего отца подлетел слишком близко к Солнцу. Его крылья, как мы помним, сделанные из перьев и воска, растаяли (как отец и говорил), он упал и разбился. В моей книжке у мальчика нет крыльев из воска — у него космический корабль. И летит он не к Солнцу, а к черной дыре. Он не гибнет, но из-за эффекта замедления времени после возвращения выясняет, что с момента старта прошло 10 тысяч лет.
На написание этой книжки меня подтолкнуло вот что. Сам миф об Икаре мне никогда не нравился. Что, по сути, говорит этот миф? Делай то, что тебе говорят старшие, иначе умрешь.

Ну, многие детские книги об этом говорят. Вот, например, «Чарли и шоколадная фабрика» утверждает, что ты не просто умрешь, а умрешь довольно неприятной смертью.......

Надо понимать, что весь этот социальный контроль, весь посыл этой легенды в точности противоположен тому, что должен делать настоящий ученый. Он-то как раз должен идти против всех, не слушая, что ему говорят. И это путь к изменениям — часто довольно болезненным. И именно это происходит в книжке. Мальчик не умирает, да, но он оказывается в совершенно другой реальности — и это тоже довольно болезненно.
Я хотел написать книжку, в которой двигателем истории была бы наука. В каком-то смысле вернуться к корням научной фантастики — к тому моменту, когда она еще была научной.
После выхода книги мы превратили ее в небольшое шоу. Американский композитор Филип Гласс написал для него музыку. Сняли небольшой фильм. Вот все это вместе и будем показывать.

Беседовал Андрей Коняев