Интервью с Дэвидом Гроссом
В мае Москву посетил Нобелевский лауреат по физике 2004 года Дэвид Гросс. Он приехал по приглашению фонда «Династия» и Международного центра фундаментальной физики, ytcчтобы прочитать публичную лекцию о теории струн и грядущих революциях в теоретической физике. Перед лекцией Дэвид Гросс любезно согласился ответить на вопросы сайта «Элементы».
Вопросы Дэвиду Гроссу задавали:
Сергей Попов, астрофизик, научный сотрудник ГАИШ
МГУ
Александр Сергеев,
журналист, научный обозреватель радио «Свобода» и сайта
«Элементы»
|
Математика и физика не такие уж разные науки
Сергей Попов: Профессор Гросс, в нашем разговоре мы, главным образом, хотели бы коснуться вопроса сложности современных теорий и используемых в них понятий. Поэтому первый вопрос будет от молодого ученого, физика-теоретика, который работает в области физики элементарных частиц. Скажите, пожалуйста, насколько важно для современного физика-теоретика знать новейшие исследования в области математики, читать оригинальные математические статьи, опубликованные в течение последних 10-20 лет? Или достаточно знакомиться с монографиями, опубликованными примерно в том же масштабе времени?
Дэвид Гросс: Это отчасти зависит от вопросов, которыми вы занимаетесь. В некоторых областях теории струн физики сами вынуждены изобретать новую математику. И они очень тесно сотрудничают с математиками. Некоторые встающие перед ними задачи (и совершаемые открытия) приводят к появлению новых математических структур, о которых математики прежде не знали. Так что в некоторых областях теории струн физики и математики работают совместно, открывая новую математику, о которой невозможно прочесть не только в книгах, но, порой, и в оригинальных статьях.
В физике элементарных частиц нужно много современной математики, но изобретать что-то новое не приходится. Однако современная физика — квантовая теория поля и теория струн — гораздо ближе к переднему краю математики, чем это было 50 или 100 лет назад.
Александр Сергеев: Это можно сравнить с эпохой Ньютона, когда физики изобретали математический анализ?
ДГ: Ну, времена меняются. Сейчас много людей занимается и математикой, и физикой. А Ньютону приходилось самому изобретать новую математику — математический анализ — чтобы понять движения планет. Но во многом сейчас довольно необычное время. Так уже было в XIX веке. Тогда рождалась теория дифференциальных уравнений в частных производных: она была необходима для построения первой теории поля, объясняющей распространение волн, перенос тепла. Такие математики, как Фурье, Лаплас, изобретали новую математику, чтобы понять физику...
Однако в конце XX века впервые возник новый тип очень тесной кооперации (между физиками и математиками. — АС). И, я думаю, у нее есть будущее. Скажем так, я не считаю математику и фундаментальную теоретическую физику такими уж разными науками. Математики ведь, подобно физикам, тоже открывают нечто реальное, что, в сущности, имеет место в природе.
Теория струн — это по-русски
|
СП: В таком случае, можно ли сказать, что именно теория струн на сегодня — самый вдохновляющий предмет для математиков? Или есть и другие столь же перспективные направления?
ДГ: Теория струн и квантовая теория поля очень тесно связаны. Первоначально математика получила мощнейший толчок от квантовой теории поля, и его действие продолжается в теории струн. Конечно, есть и другие области, где физика и математика успешно взаимодействуют, но нет ничего хотя бы отдаленно похожего на то, что происходит в теории струн.
Как вы знаете, я руковожу Институтом теоретической физики в Калифорнии. Сотни физиков собираются там ежегодно, чтобы вместе поработать над общими темами. А прошлой осенью у нас как раз была программа, посвященная математическим структурам в теории струн, и половину участников составляли ведущие математики мира. Струнные теоретики и математики действительно очень тесно сотрудничают. Это поистине удивительно. И это очень по-русски — напоминает традицию российских математиков держаться ближе к физике. Вспоминается Гельфанд...
СП: И Арнольд...
ДГ: Да, это хорошие примеры. Хотя работы Арнольда связаны в основном с классической физикой, например с динамическими системами.
Квантовую механику будут учить в школе
СП: И, насколько можно судить, математика теории струн весьма сложная...
ДГ: Она сложная исключительно в силу своей новизны. Математический анализ был чрезвычайно сложным для Ньютона. И, как вы знаете, когда Гейзенберг открыл квантовую механику — матричную механику, как ее еще называют, — он ничего не слыхал о матрицах. Но он сумел записать свои соотношения. А потом ему стали говорить: «Это похоже на матрицы!» А он в ответ: «Что такое матрица?» Так что для Гейзенберга матрицы были очень сложными. А сейчас их проходят в колледже.
СП: Вы считаете, что математический инструментарий теории струн со временем станет более доступным? Ведь, как ни крути, но интегралы по путям, к примеру, намного сложнее обычных интегралов.
ДГ: Всему свое время.
СП: Люди просто привыкают к этим сложным вещам или изобретают более понятные подходы?
ДГ: Когда идея возникает впервые, то даже сами первооткрыватели плохо ее понимают. Часто только через много лет изучения новую концепцию удается понять достаточно хорошо, чтобы обучать студентов. Иногда на это требуется несколько поколений. Например, многие физики до сих пор испытывают трудности с квантовой механикой. Мы до сих пор недостаточно хорошо ее понимаем, чтобы как следует преподавать. И это несмотря на то, что прошло уже 80 лет. А если вы заглянете в первые учебники по квантовой механике, написанные в 1930-е годы, — они просто ужасны! Со временем учебники становятся лучше. Они будут продолжать улучшаться, и, когда мы начнем учить квантовой механике старшеклассников, ее станут воспринимать естественнее и лучше ее понимать.
Посмотрите, ведь ровно то же самое происходит и в других областях. Первые статьи и учебники по механике или по электричеству и магнетизму были очень сложными. Когда Эйнштейн изучал электричество и магнетизм, ему было нелегко. Ведь тогда это преподавали только на старших курсах университетов, да и то это считалось очень сложным материалом. А сейчас мы проходим электричество и магнетизм в школе.
Как протекает процесс мышления?
АС: В теории струн само представление о струне — это хорошая модель реальности или только иллюстрация?
|
ДГ: Описание реальности в терминах струн аналогично описанию квантовой теории поля в терминах частиц. В квантовой хромодинамике — теории ядерных сил — у нас есть удобное описание в терминах кварков, глюонов и расстояний между ними. Но это лишь приближенное описание. Есть более удачное описание квантовой хромодинамики в терминах квантовых полей. В теории струн мы фактически располагаем только первым, но не вторым, более точным описанием. Есть множество описаний теории струн в частных аспектах, но единственное более или менее целостное описание — в терминах струн, движущихся в некотором пространстве-времени. В теории струн у нас пока нет аналога интегралов по путям в квантовой теории поля. У нас нет более фундаментальной формулировки. И это одна из актуальных проблем теории струн.
СП: Но это описание в виде струн, оно на практике помогает физической интуиции?
ДГ: Да, конечно.
АС: А на что вам лично приходится чаще опираться в работе — на физическую или на математическую интуицию?
ДГ: Их довольно трудно различить. Математика — это язык, очень развитая форма языка. Когда мы думаем, мы оперируем зрительными образами. Однако организуем мы наши мысли при помощи языка, и математика — это очень продвинутая форма языка. Поэтому физики-теоретики склонны мыслить в математических терминах. Но, конечно, я не могу описать, как в точности протекает процесс мышления. Я даже не всегда пытаюсь это осознать, очень многое происходит бессознательно.
Реальность математики докажут инопланетяне
СП: Вот вы говорите, что математика — это язык. А как вы считаете: описывая природу на некотором языке, мы изобретаем это описание или математические законы действительно лежат в основе природных явлений? Для Галилея, например, не было этого вопроса — он говорил, что книга Природы написана на языке математики и совершенно ясно Кем.
ДГ: Неправильно говорить, что мы изобретаем Природу или математику. Наоборот, это мы изобретены Природой. При этом, я думаю, мы появились не спонтанно. Нет, я не верю, что мы сотворены Богом. Мы эволюционировали, как часть Природы. И поэтому меня не удивляет, что наш разум, который эволюционировал так, чтобы мы выжили в естественной среде, развил способности, необходимые для адекватного понимания Природы. Было бы странно, если бы это сложилось иначе. Поэтому я считаю, что большинство математиков — в известной мере физики. Физики описывают реальный мир и открывают вещи, которые существуют в природе. И математики, вообще говоря, делают то же самое. Можно спросить, что считает по этому поводу академик Арнольд, но я думаю, что большинство математиков верят, что они не изобретают вещи, а открывают их.
Знаменитый физик (), мой коллега из Принстона, любил говорить о . Я не согласен с ним и не вижу тут совершенно ничего непостижимого. Математика выросла из языка, который мы создали (или который развился в результате естественной эволюции) как инструмент понимания Природы и оптимального выживания в ней. Так что я считаю математику, по сути, частью Природы, и мы ее открываем. Утверждение о том, что математика хорошо описывает Природу — это почти тавтология.
Это, кстати, можно проверить экспериментально. Я обсуждал это с математиками — одни соглашаются со мной, другие нет. Проверить это можно так. Допустим, когда-нибудь мы установим связь с другой цивилизацией, на другом краю Галактики. Все сходятся на том, что у них будет более или менее такая же физика, как у нас, ведь существует только один мир. (И, надеюсь, они будут лучше нас понимать теорию струн.) Но зададимся вопросом: будет ли у них такая же математика? Некоторые математики говорят: нет, они могут изобрести совершенно другую математику. Но я так не считаю. Я думаю, их математика будет очень похожа на нашу. На самом деле, я даже думаю, что история развития их математики будет примерно изоморфна нашей. Конечно, возможны небольшие внешние отличия. Но если смотреть в масштабах столетий, их математика будет развиваться по похожему пути. Надеюсь, мы когда-нибудь сможем проверить эту гипотезу.
Гносеологический пессимизм антропного принципа
СП: Это довольно оптимистичная точка зрения, поскольку еще неизвестно, какое будущее ожидает человечество.
ДГ: Да, но мы всё же победим. Нет никаких признаков, что наши методы непригодны для тех задач, которые перед нами стоят. Они отлично работают и у нас уже есть замечательные результаты. Зачем же быть пессимистами? Хотя, я знаю, в России очень модно быть пессимистом. И не только в среде ученых. Я наблюдал это и в среде бизнесменов.
СП: В своей вы очень критически отзываетесь об антропном принципе. Но сказанное вами сейчас если не совпадает, то, по крайней мере, очень похоже на рассуждения в духе антропного принципа.
ДГ: Нет, не совсем так. Определенная логика в антропном принципе, конечно, есть. Раз мы с вами здесь сидим, раз мы живы, значит наш мир обладает определенным свойствами, необходимыми для нашего существования. Однако я верю, я убежден — об этом говорит моя интуиция, об этом говорит история, — что вещи, которые кажутся специально созданными для нашего существования, со временем получат естественное объяснение.
Возьмем, например, тот факт, что лед легче воды и плавает на ее поверхности. Это очень важно для нас. Если бы лед не плавал, океаны не оттаивали бы летом, и жизнь не смогла бы развиться. Вы можете сказать: это объясняется антропным принципом. Вода действительно очень необычная жидкость, однако сегодня мы понимаем ее свойства благодаря химии. В действительности атомная физика, опирающаяся на нее химия, биохимия, биология и, наконец, жизнь и даже наш разум описываются, как вы знаете, квантовой механикой, электричеством и магнетизмом. Это пример невероятно мощной теории, которая в принципе — конечно, не на практике, но в принципе — не содержит произвольных допущений и свободных параметров за исключением одного — силы электрического взаимодействия. Всё остальное можно вычислить. По крайней мере, в принципе. Таким образом, имея очень простую теорию и одно число, вы можете вычислить все свойства воды, органического вещества, жизни... Это настоящий триумф антиантропного принципа.
|
Сто лет назад многие люди считали, что наука никогда не сможет объяснить жизнь. Сейчас мы думаем, что понимаем жизнь на базовом уровне, у нас есть адекватная теория. Конечно, она не позволяет, начав с атомов, сконструировать и понять мозг. И, конечно, потребуется много времени, чтобы разработать методы, необходимые для понимания того, как всё это работает. Но это понимание, в конечном счете, будет опираться на теорию, в которой нет произвольных элементов. По-моему, люди в поиске аргументов часто обращаются к антропному принципу из-за неверия в свои силы, из-за нашего неумения ответить на очень сложные вопросы. Однако история показывает, что даже те вопросы, которые кажутся неразрешимыми, в конце концов всё равно получают ответы.
Конечно, кое в чем они правы — на некоторые вопросы не получается найти ответ. В развитии Вселенной есть масса случайностей, и бывают так, что наука безуспешно пытается их объяснить. Например, Кеплер, верил, что он может вычислить радиусы планетных орбит в Солнечной системе. Он построил (правильных многогранников. — АС) и получил из нее набор радиусов. И хотя они были похожи на размеры орбит в Солнечной системе, теперь мы понимаем, что предсказание радиусов орбит сродни попытке предсказать погоду в Москве через год — в 11 утра 13 мая 2007 года. Это не то, что можно вычислить, да это и неинтересно вычислять.
Конечно, может оказаться, что такую же случайную природу имеют параметры нашего мира, которые входят в качестве фундаментальных величин в физические законы. Именно это утверждают люди, следующие антропному принципу. Такую возможность нельзя отбрасывать. Просто я подозреваю, что люди приходят к этим мыслям от чувства беспомощности, а история потом покажет, что они ошибались. Но единственный способ доказать, что он не правы, — предложить работающую теорию, обладающую предсказательной силой, как это и случалось в прошлом. Так, например, единственным способом доказать, что наука, что физика способна объяснить жизнь, было открытие структуры ДНК, понимание квантовой механики, атомной физики, биохимии и т. д. и т. п.
СП: То есть вы советуете запастись терпением?
ДГ: Я советую много работать.
Размерность пространства — вопрос экспериментальный
|
АС: Многие физики и астрономы, работающие преимущественно с экспериментальным материалом, считают, что эти многомерные теории слишком далеки от физической реальности, что это скорее математическая игра, чем наука о реальном мире.
ДГ: Возможно, и так. Кто знает? Наука тем и интересна, что никто не знает ответа, пока вы не сделаете открытие, обладающее предсказательной силой. Так что это вопрос эксперимента — является ли пространство-время многомерным. Многие модели, и в особенности теория струн, предполагают, что это так. Считается, что это, скорее всего, очень маленькие измерения, которые трудно рассмотреть. Однако мы теперь не исключаем, что они могут быть достаточно велики и доступны для наблюдения. Это сугубо научный вопрос.
В наше время астрономы и астрофизики в большинстве своем признают безумную математическую теорию, разработанную Эйнштейном. И если вы ее признаете, то понимаете, что пространство-время — это динамический объект, а вопрос о числе измерений — это научный вопрос. Да, некоторые из этих измерений могут быть очень маленькими и труднообнаружимыми, но единственный честный путь — проверить их существование.
Корректный научный подход состоит в следующем. Если более глубокое понимание вещей ставит перед вами новые вопросы и открывает новые возможности (как сделала, например, общая теория относительности), то вы должны исследовать эти новые вопросы и возможности. В случае теории струн у нас есть очень серьезные основания, которые приводят к необходимости дополнительных измерений. Но это открытый научный вопрос. Я согласен: в настоящий момент нет твердых доказательств их существования. Но это ведь так всегда — нелегко иметь дело с новыми идеями.
Чем хорош Большой адронный коллайдер
СП: В вашей лекции говорится, что строящийся в Большой адронный коллайдер (, LHC) — самая перспективная установка для проверки теории струн. Однако его энергия всего на порядок выше, чем у ныне действующих ускорителей, например американского Теватрона (). Почему вы думаете, что шаг всего на порядок величины поможет получить принципиально новые данные, при том что энергия по крайней мере на 10 порядков выше?
ДГ: Этот ускоритель критически важен потому, что он впервые обеспечит выход на масштаб энергий, необходимых для полного охвата предсказаний .
Другая важная причина состоит в том, что есть ряд очень убедительных экспериментальных результатов, указывающих, что именно в этом масштабе энергий могут начать проявляться эффекты, связанные с новой физикой, новой фундаментальной физикой. В своей лекции я объясняю, почему мы ожидаем, что при этих энергиях могут быть открыты новые квантовые (суперсимметричные) измерения пространства-времени, которые являются важным ингредиентом теории струн. Имеется три независимых аргумента в пользу того, что новые симметрии, новые квантовые измерения пространства-времени можно впервые обнаружить при энергиях в тераэлектронвольты, достижимых на LHC.
Один из этих аргументов вытекает из объединения взаимодействий. Простая картина объединения сил требует существования суперсимметрии, которая будет заметна при энергиях порядка тех, что доступны на LHC, хотя точно мы это предсказать не можем.
Второй аргумент связан с попыткой понять колоссальную несоразмерность между масштабом, в котором гравитация сильна, и ядерным масштабом, в котором она очень слаба. И вновь суперсимметрия дает естественное и красивое объяснение этой громадной разницы в масштабах.
И, наконец, факт, который мы узнали из астрофизики — то, что большая часть материи во Вселенной относится к некому неизвестному типу — темной материи, которую мы не видим, но ощущаем гравитационно. Мы можем изобрести множество частиц, из которых могла бы состоять темная материя, однако суперсимметричная версия Стандартной модели автоматически обеспечивает наличие частиц — кандидатов в темную материю. Если эти частицы имеют массу, доступную для наблюдения на LHC, то мы сразу узнаем, из чего состоит 90% материи во Вселенной.
Это три очень серьезных аргумента. У нас нет доказательств и нет точных предсказаний, где и как можно наблюдать проявления суперсимметрии, однако на качественном уровне мы имеем очень убедительные аргументы в пользу того, что суперсимметрия будет открыта. Так что я готов с любым человеком заключить об этом пари на условиях 50 на 50. И если суперсимметрия не будет открыта, мне придется выплатить много денег!
Природа туманных вопросов
АС: Один мой друг спрашивает, можно ли сравнить нынешнее состояние фундаментальной физики с временами перед появлением теории Коперника. Тогда уже была система Птолемея, которая позволяла предвычислять движения планет, но за ней не стояло понимания физики явлений. Можно ли сказать, что и сейчас мы ждем появления физического смысла за уравнениями?
ДГ: Чего-то мы, конечно, ждем. Наверное, мог бы сказать, чего именно мы ждем. Но, как вы знаете, история никогда не повторяется в точности. Очень трудно сравнивать наше время с тем, что было когда-то в прошлом, поскольку мы не знаем, что представляет собой будущее.
АС: На новую фундаментальную теорию, которую вы сейчас строите, возлагается много надежд; предполагается, что она станет своего рода окончательной теорией всего. Но каковы основания думать, что новые понятия окажутся окончательными? Если сейчас мы спрашиваем, в чем природа гравитации, то почему не появится вопрос, в чем природа струн? И так далее...
ДГ: Природа! Вопросы в той форме, как вы их формулируете, крайне расплывчаты. Вопрос «в чем природа» — слишком неопределенный, почти философский. Многим из нас, например, хочется понять, почему постоянная тонкой структуры равна 1/137? Вот это хорошо поставленный вопрос. Но даже получив ответы на такие четкие вопросы, мы всё равно остаемся неудовлетворенными, потому что некоторые из расплывчатых вопросов находят более точную формулировку, которая требует более точного ответа. Даже если мы сможем ответить на все вопросы, на которые ищем ответы, появятся новые вопросы. Такова история науки. И так будет продолжаться до бесконечности. Но может быть, мы когда-то остановимся, найдя вполне удовлетворительные ответы. В этом вопросе я агностик. Возможно, окончательная теория, «теория всего», существует. А может быть, нет. Кто знает?
Мир, который сам себя вычисляет
СП: Вы сказали, что математика — это язык описания Природы, который должен обладать универсальностью. Как вы относитесь к недавно появившимся предложениям заменить применяемый в физике язык аналитических методов численными методами? Ведь за этим стоит совсем иная философия, поскольку мы лишаемся возможности записывать уравнения.
АС: Да-да, некоторые программисты настойчиво интересуются, является ли наш мир вычислимым?
ДГ: Компьютеры... Я считаю, что численные, вычислительные способности современных компьютеров поразительны. И, конечно, они оказали сильное влияние на то, как сейчас работают физики-теоретики. Многие уже не пытаются решать дифференциальные уравнения, а просто моделируют их численно. И поэтому некоторые специалисты по компьютерным методам доводят эту тенденцию до предела.
СП: Как , например?
ДГ: Совершенно верно. Вольфрам в действительности специалист по вычислительным методам, а не физик. Он мой друг и при встрече я привел ему очень сильные аргументы. Думаю, он был обескуражен.
СП: Было бы замечательно провести между вами публичный диспут...
ДГ: Мы тоже так думаем и в самом деле собираемся устроить дебаты, но просто пока не получается.
АС: Мои друзья-компьютерщики часто спрашивают: можно ли сказать, что квантовая теория в каком-то смысле эквивалента фундаментальной дискретности мира? Имеет ли классическая идея континуума отношение к реальному миру?
ДГ: Нет, квантовая механика не является дискретной теорией. Многие люди считают бесконечность очень сложной концепцией. Начиная с XIX века предпринимаются попытки показать, что всё в мире должно быть дискретным, конечным и вычислимым. Однако бесконечность — это невероятно мощная концепция. И я очень не хотел бы от нее отказываться. Она чрезвычайно полезна.
В действительности вычислительные методы по своему развитию переживают сейчас период раннего детства. То, что мы можем делать сейчас, кажется поразительным по сравнению с возможностями устройств 20-30-летней давности, но, по-видимому, это ничто в сравнении с будущими возможностями. Компьютеры пока не слишком умны.
И еще одна вещь, которая особенно интересна в контексте разговора о Вольфраме, — это характер мышления, который остается совершенно классическим. Все компьютеры, которые мы используем или о которых мы думаем, говоря о вычислительных алгоритмах, являются классическими. Но за последние 10 лет мы поняли, что, задействовав квантовую механику, мы получим невероятный потенциал для вычислений и даже для построения реальных компьютеров. В этом направлении уже есть замечательный прогресс. В моем институте сейчас реализуется программа по квантовым компьютерам и применению квантово-механических систем для вычислений. И уже доказано, что в некоторых случаях можно получить мощность, экспоненциально превосходящую классические компьютеры.
Так что, в некотором смысле, это совершенно верно, что мир вычисляет свое собственное состояние. Только это происходит под управлением квантовой механики. Это квантовый компьютер, а не классический. А большинство ваших друзей-компьютерщиков ничего не знает о квантовой механике. Поэтому они обсуждают всё это с точки зрения, которая устарела лет на 50. Мол, мощные компьютеры смогут решать сложные задачи. Это всё равно что рассуждать о преимуществах современного программирования, сидя перед абаком. Очень примитивно.
У теории струн нет реальных конкурентов
СП: Что вы можете сказать о теориях, которые конкурируют с теорией струн?
ДГ: На самом деле у нее нет реальных конкурентов. Вот почему так много людей работает над теорией струн. Если бы были сильные конкуренты, то некоторые люди работали бы над другими вещами. Кое-что есть в петлевой теории гравитации, но, как мне кажется, она не слишком успешна даже в рамках ограниченных задач, например в понимании квантовой гравитации. У них не получается даже воспроизвести классическую гравитацию.
СП: Не слишком ли рискованно вкладывать так много сил в разработку одной-единственной теории?
|
ДГ: Я полагаю, что теория струн в действительности скорее парадигма, чем конкретная теория. Кроме того, мы убедились в очень тесной связи теории струн с квантовой теорией поля. На самом деле между ними даже трудно провести различие. Квантовая теория поля — это инструмент, который используется для описания сильного взаимодействия, слабого взаимодействия — всех сил природы. Поэтому у теории струн нет ни одного сильного конкурента, который имел бы дело со столь широким кругом задач. И, в некотором смысле, теорию струн невозможно уничтожить, поскольку она не является альтернативой, а, наоборот, тесно связана с квантовой теорией поля, которая, как вы знаете, служит общепринятым теоретическим фундаментом физики.
Когда я говорю о грядущей революции в физике, я не думаю о теории струн как о завершенной теории. Мы еще пытаемся понять, что она собой представляет. И я не думаю, что мы уже преуспели в этом. Но я считаю, как я уже говорил, что революция на подходе. При этом теория струн — это не что-то радикально новое, она на самом деле тесно связана с прежней физикой. И фактически, мы уже используем для лучшего понимания ядерных сил один из крупных разделов того, что называется теорией струн и что претендует на статус фундаментальной теории всего. Так что теорию струн нельзя опровергнуть, поскольку она связана с нашими наблюдениями.
СП: Значит, имеется прямая наблюдательная мотивация для исследований в области теории струн, а не только теоретические основания?
ДГ: Дело как раз в теоретических связях. Теория струн очень полезна для множества вещей, которыми приходится заниматься. Можно попробовать применить ее для исследований в области космологии, можно — для попыток лучше понять ядерную физику. Вы можете исследовать ее связи с математикой или с калибровочными теориями. Огромное количество разных вещей, которыми могут заниматься молодые исследователи.
Если говорить о том, что определяет направление работы людей в фундаментальной физике, то это либо важные экспериментальные результаты, которых у нас пока мало (надеюсь, они появятся, давайте немного подождем), либо захватывающая сфера исследований. У теории струн нет сильных конкурирующих концепций, и в то же время она предлагает хорошие задачи, над которыми люди могут работать. Это действительно так.
Кванты против относительности
АС: Из научно-популярных книг — таких как Стивена Хокинга (Stephen Hawking), (Roger Penrose), Брайана Грина (Brian Greene) — можно сделать вывод о том, что теория струн — это попытка разрешить противоречие между общей теорией относительности и квантовой теорией. Верно ли это впечатление?
ДГ: Очень разные книги... На самом деле, это просто одна из проблем, для которых теория струн оказалась полезной, хотя ее решение не было первоначальной целью. Теория струн начиналась как теория ядерного взаимодействия, но это (устранение противоречий между кантовой механикой и теорией относительности. — АС) один из ее самых значительных успехов. И не подлежит никакому сомнению, что она достигла успеха благодаря тому, что является квантово-механической релятивистски инвариантной теорией, не содержащей противоречий. Черные дыры в теории струн — это не сумасшедшие объекты, нарушающие принципы квантовой механики, а нормальные объекты — это огромный успех теории струн. Даже такому человеку, как Хокинг, пришлось это признать. Хокинга я убеждал на протяжении очень многих лет, но он не соглашался. Он был твердо убежден, что квантовая механика в общей теорией относительности сталкивается с серьезными проблемами, и нам придется изменить квантовую механику...
АС: А Пенроуз хочет изменить общую теорию относительности...
ДГ: Пенроуз — математик, а не физик. Не принимайте это всерьез. А Хокинг теперь признает, что был не прав. Благодаря теории струн мы узнали, что не обязательно менять квантовую механику. Это огромный успех теории струн. И одна из причин, один из теоретических мотивов (не экспериментальных доказательств, а именно теоретических мотивов!), удерживающих людей в орбите теории струн несмотря на то, что мы пока не можем дать точных предсказаний, — это тот факт, что мы можем разрешить концептуальные парадоксы. Это чрезвычайно важно для развития физики. Квантовая механика тоже зарождалась на фоне парадоксов — классическая физика, с одной стороны, и модель атома Бора, с другой, были несовместимы. Это была теоретическая проблема, и квантовая механика позволила ее разрешить.
А что мы с этого будем иметь?
АС: Новая революция в фундаментальной физике, о которой вы говорите, приведет ли она к каким-то значимым социальным изменениям, к чему-то вроде открытия атомной энергии или полупроводников, к чему-то, что изменит наш мир?
ДГ: Кто знает... Я не знаю. Вообще-то я считаю, что предсказывать технологии и приложения намного труднее, чем развитие фундаментального научного знания. Предсказание технологий, предсказание того, как наука будет использоваться, даже если вы знаете науку, — это очень сложное дело, тут слишком много факторов.
АС: Но вы надеетесь на возможность таких изменений?
ДГ: На самом деле, вы с тем же успехом могли бы спросить о чем-то, что мы уже поняли и уже проверили в эксперименте и получили подтверждение — например, о Стандартной модели элементарных частиц или о понимании ядерного взаимодействия. Что можно сказать об их приложениях? Меня много раз спрашивали, например, о приложениях квантовой хромодинамики. Репортеры всегда пристают с этим вопросом: «Какая от этого будет польза?» И я не могу ничего придумать.
Но история показывает, что даже когда вы ничего не можете придумать... Да возьмите ту же квантовую механику — какая польза от квантовой механики? Если бы вы спросили у Гейзенберга, какая польза от квантовой механики, я сомневаюсь, что он сказал бы вам о транзисторе или лазере. Но они появились. Очень трудно предсказать приложения. Даже тот невероятный уровень понимания фундаментальных взаимодействий, которого мы достигли в XX веке, пока не выглядит полезным для чего-то или вредным. Он не позволил создать новое оружие, или новое лекарство, или новый инструмент. Но кто знает? Очень трудно предсказывать технологии. Никто не предсказал транзисторы. Когда в 1950-е годы в IBM думали о компьютерах, то представляли их зданиями размером с этот отель с вычислительной мощностью не больше вашего ноутбука. А ведь они уже знали всю необходимую физику — я имею в виду все основные физические принципы.
Большой взрыв как прикладная наука
СП: В вашей лекции есть утверждение о том, что теоретическая физика в целом и теория струн в частности развиваются «не только из любопытства, но и потому, что мы хотим знать, понимаем ли мы происхождение нашего мира». Для вас лично основной мотив исследования — это любопытство, или вы считаете вопрос о происхождении мира прагматическим?
ДГ: Главный мотив, конечно, любопытство. Это то, что движет вперед фундаментальную науку. Но любой ученый получает огромное моральное удовлетворение, когда ответы на вопросы, полученные благодаря любопытству, оказываются полезны в каком-либо смысле: непосредственно — для людей, для общества, или косвенно — для других наук. Так что я говорил о приложениях нового знания фундаментальных законов физики к другим областям науки.
Одним из самых замечательных приложений является космология — вот почему специалисты по теории струн так много общаются с космологами и астрофизиками. Космологи сейчас пытаются понять самые ранние этапы развития Вселенной после Большого взрыва и сам Большой взрыв. И в этой области наши сферы интересов перекрываются, причем очень сильно. Так что вы никогда не сможете построить исчерпывающую космологическую теорию или историю Вселенной без понимания вопросов, которыми мы задаемся в теории струн.
Но есть и другие приложения теории струн. Это очень радует физиков-струнщиков. В частности, тот факт, что мы открываем новую математику. Или возможность по-новому думать о ядерном взаимодействии, что позволяет улучшить наши расчеты. Всё это вызывает глубокое удовлетворение. Эта теория — существенный шаг в развитии науки, и у нее множество приложений, как и у квантовой механики.
Что почитать
АС: И последний вопрос. Что вы можете посоветовать тем, кто хотел бы получить популярное объяснение теории струн. В вашей лекции используется довольно сложная терминология — «дуальность», «квантовые измерения», «калибровочные теории». Для многих это звучит совершенно непонятно. Что вы можете порекомендовать для широкой публики?
ДГ: Не так уж много. Есть книга Брайана Грина...
СП: Вы имеете в виду «Элегантную Вселенную»?
ДГ: Да, и уже написана вторая книга — «Ткань космоса» (). Есть хорошая новая книга о дополнительных измерениях, написанная Лизой Рэндалл (Lisa Randall) — . Я сам планирую написать небольшую книжку на основе таких моих публичных лекций. Но вы знаете, это очень трудно — написать хорошую научно-популярную книгу. А еще есть хороший , написанный Бартоном Цвайбахом (). Это первый в своем роде учебник, рассчитанный на студентов-физиков, которые еще не изучали квантовую теорию поля. И это очень хорошая книга.