Теория струн вновь заявляет о себе

Клиффорд Ченг и Грант Реммен не ставили перед собой цель спасти теорию струн от кризиса идентичности, длящегося десятилетиями. Они начали с чистого листа бумаги и четырех математических ограничений, которым должна подчиняться любая функционирующая Вселенная. Они искали амплитуды рассеяния — исчисление вероятностей, которое показывает, что происходит, когда частицы сталкиваются друг с другом. Но по мере решения уравнений на странице появился призрак из 1990-х. Математика не просто намекала на струны; она потребовала их.

Результат, ставший плодом сотрудничества между Калтехом и Нью-Йоркским университетом, вызвал тихую волну шока в сообществе физиков-теоретиков, которые по большей части отвели теории струн полку с пометкой «интересно, но невозможно проверить». На протяжении тридцати лет перспектива создания «теории всего», способной объединить гравитацию с квантовой механикой, сдерживалась отсутствием экспериментальных доказательств. Мы не можем построить ускоритель частиц размером с галактику, а без него увидеть крошечные вибрирующие петли энергии, из которых предположительно состоит наша реальность, оставалось невозможным. Тем не менее, используя так называемый подход «бутстрапа» (bootstrap), Ченг и Реммен обнаружили, что если вы хотите получить Вселенную, логически непротиворечивую при высоких энергиях, вы в конечном итоге придете к струнам, хотите вы того или нет.

Это открытие было сделано не в вакууме. Оно произошло в момент, когда промышленная политика Европы оценивает многомиллиардную стоимость проекта Будущего кольцевого коллайдера (FCC) в CERN. Пока в Брюсселе спорят, стоит ли финансировать тоннель, который может ничего не обнаружить, эти математические результаты свидетельствуют о том, что логика Вселенной уже пытается подсказать нам, где находится финишная черта. Струны, как выразился Ченг, просто «выпали» из логики.

Ловушка логической непротиворечивости

Чтобы понять, почему это важно, нужно взглянуть на допущение о «минимальных нулях», которое использовали исследователи. В мире теоретической физики метод бутстрапа — это высшее проявление интеллектуальной аскезы. Вы не предполагаете существование конкретной модели частиц; вы предполагаете лишь то, что Вселенная имеет смысл. В частности, исследователи начали с четырех столпов: унитарности (идея о том, что вероятности всех исходов должны в сумме давать 100 процентов), лоренц-инвариантности (законы физики выглядят одинаково, даже если вы движетесь быстро), требования того, чтобы физика оставалась «благопристойной» при высоких энергиях, и, наконец, простейшего возможного расположения нулей в математике рассеяния.

Для инженеров и политиков в Кельне или Женеве это создает своеобразное напряжение. У нас есть математическая архитектура, которая все больше выглядит как неизбежность, но нам все еще не хватает оборудования, чтобы прикоснуться к ней. В полупроводниковой промышленности, если литографический инструмент показывает теоретический предел разрешения, мы повторяем процесс до тех пор, пока не достигнем его. В физике мы сейчас смотрим на чертеж здания, для которого требуются материалы, которые мы еще не изобрели.

Почему пятое измерение — это больше не только для научной фантастики

В то время как результаты бутстрапа подтверждают математическую необходимость струн, другие направления исследований ищут более буквальные «съезды» в высшие измерения. Отдельное исследование темной материи недавно предположило существование фермиона, который выступает в качестве моста в пятое измерение. Это не мультивселенная из голливудских фильмов, а конкретное, локализованное измерение, которое могло бы объяснить, почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил. Если гравитация «просачивается» в пятое измерение, математика нашего четырехмерного опыта наконец сходится.

В Германии, где точность цепочек поставок является предметом национальной гордости, к такого рода «утекающей гравитации» часто относятся со здоровым скептицизмом. Но промышленные последствия становится все труднее игнорировать. Стартапы в области квантового оборудования по всему ЕС уже сталкиваются с реальностью многомерных гильбертовых пространств. Недавно исследователи смогли создать частицу света — фотон, — которая одновременно получила доступ к 37 различным «измерениям» состояния. Хотя это математические измерения, используемые для описания квантовой сложности, а не физические направления в пространстве, они представляют ту же фундаментальную проблему: наше трехмерное интуитивное восприятие — плохой ориентир для технологий, которые мы создаем сегодня.

Разрыв между успехом «бутстрапа» в Калтехе и реальностью экспериментальной физики — это то, где кроется суть истории. Мы, по сути, доказываем, что карта верна, но мы все еще застряли на парковке. Европейское космическое агентство (ESA) и различные органы финансирования ЕС часто отдают приоритет проектам с «уровнями технологической готовности», которым теория струн просто не может соответствовать. И все же, если математика говорит нам, что струны являются неизбежным результатом логической непротиворечивости, в какой момент «теория» становится «фундаментальной инфраструктурой»?

Цена игнорирования математики

Скептицизм в отношении теории струн всегда был связан с ее требованием десяти измерений для того, чтобы математика работала. Для налогоплательщика в Бонне или бюрократа в Брюсселе десять измерений звучат как удобное оправдание для теории, которую невозможно доказать. Однако подход бутстрапа переворачивает эту критику с ног на голову. Он предполагает, что если вы начнете с четырех известных нам измерений и будете настаивать на том, чтобы они вели себя логично при самых высоких вообразимых энергиях, то дополнительные измерения — это не ошибка, это требование для того, чтобы математика оставалась устойчивой.

Это создает кошмар при планировании долгосрочных научных закупок. Если теория струн верна, энергетические масштабы, необходимые для прямого наблюдения этих эффектов, — это планковская величина, на порядки превышающая все, чего мог бы достичь FCC или даже гипотетический лунный коллайдер. Мы вступаем в эпоху «постэмпирической» науки, где нашими лучшими инструментами для понимания Вселенной являются уже не магниты и датчики, а сама тяжесть логической неизбежности. Это некомфортно для индустрии, построенной на проверяемой точности кремниевого чипа и траектории полета спутника.

Существует также вопрос международной конкуренции. В то время как ЕС придерживается осторожного, многолетнего подхода к физике высоких энергий, США и Китай все чаще готовы финансировать «высокорискованные и высокодоходные» теоретические базы, которые могут привести к прорывам в квантовых вычислениях или материаловедении. Если метод бутстрапа верен, и «гармоники» струны являются истинным источником свойств частиц, тот, кто первым освоит эту математику, возможно, вообще избежит необходимости в триллионном коллайдере. Теоретически они могли бы просто симулировать результаты.

Мост между лабораторией и классной доской

Напряжение между «струнами, которые выпали из уравнений» и частицами, которые мы можем увидеть, остается определяющей проблемой физики XXI века. Ученые, такие как Ченг и Реммен, по сути, говорят нам, что Вселенная построена на определенной элегантной логике, но наш текущий взгляд — это как попытка понять весь лес, глядя на один-единственный лист. Тот факт, что их предположения были столь минимальными — четыре базовых правила, — делает этот результат таким пугающим. Если бы они начали со сложных, произвольных допущений, появление струн было бы ничем не примечательным. Но они начали с самого минимума.

Для инженеров, находящихся в центре секторов глубоких технологий Европы, послание ясно: граница между абстрактной математикой и физической реальностью становится все тоньше. Мы достигаем точки, когда сама логика становится диагностическим инструментом. Если математика говорит, что в сердце фотона есть пятое измерение или вибрирующая струна, и любой другой логический путь ведет к противоречию, мы должны начать относиться к математике как к первичному источнику истины.

У Европы есть математические таланты и бюрократическое терпение, чтобы десятилетиями работать над этими вопросами. Проблема в том, что мы все еще ждем сигнала, который не исходит от компьютерной симуляции. У нас есть карта, у нас есть логика, и теперь мы знаем, что Вселенная, вероятно, сделана из струн, потому что у нее просто нет другого выбора. Теперь нам просто нужно найти способ оплатить микроскоп, который сможет их увидеть, или признать, что математика — это единственный микроскоп, который у нас когда-либо будет.