Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

Есть и еще парочка подходов к квантовой гравитации, но перечисленные – в настоящее время самые популярные [94] Самый непопулярный подход – это мое утверждение, что мы тщимся решить не ту проблему: нам нужно понять не что происходит с гравитацией на малых расстояниях, а что происходит с квантованием на малых расстояниях. См.: Hossenfelder S. 2013. A possibility to solve the problems with quantizing gravity . Phys. Lett. B. 725: 473–476. arXiv:1208.5874 [gr-qc]. . Сегодня почти при всех попытках проквантовать гравитацию предполагается, что симметрии, обнаруженные нами в Стандартной модели и общей теории относительности, уже выдают часть глубинной структуры. Противоположная точка зрения заключается в том, что наблюдаемые нами симметрии сами по себе не фундаментальны, а эмерджентны.

Вэнь Сяоган – профессор физики конденсированного состояния в Массачусетском технологическом институте. Его область исследований имеет дело с системами, состоящими из многих частиц, которые действуют сообща, то есть с твердыми телами, жидкостями, сверхпроводниками и тому подобным. В терминах третьей главы физика конденсированного состояния использует эффективные теории, справедливые только при низком разрешении, или низкой энергии, – и не относится к основаниям физики. Однако Сяоган думает, что Вселенная и все в ней работает как конденсированное вещество.

В его воображении пространство состоит из крохотных элементарных ячеек, и то, что мы считаем частицами Стандартной модели, есть лишь коллективные движения – «квазичастицы» – этих элементарных ячеек. У Сяогана еще имеется квазичастица, исполняющая роль гравитона, так что гравитация тоже охвачена; он нацелился на завершенную теорию всего 163.

В теории Сяогана элементарные ячейки – это квантовые биты, или «кубиты», квантовые аналоги классических битов. Классический бит допускает два состояния (скажем, 0 и 1), а кубит может находиться в обоих состояниях разом, в любых возможных комбинациях. В квантовом компьютере кубиты состоят из частиц. Но в теории Сяогана кубиты – фундаментальные объекты. Они не сделаны из чего-то еще, они просто есть, как струны в теории струн. Согласно Сяогану, Стандартная модель и общая теория относительности не фундаментальны, а эмерджентны – и возникают они из кубитов.

Думаю, его идея послужит неплохим антидотом против привлекательности теории струн, поэтому я договариваюсь с ним созвониться.

«А чем вам не нравятся, – начинаю я, – существующие подходы – теория струн, петлевая квантовая гравитация, суперсимметрия – в том, что касается квантовой гравитации и объединения взаимодействий?»

«У меня очень строгий подход к квантовой теории», – говорит Сяоган и начинает излагать свои идеи. Чтобы описать кубиты и то, как они взаимодействуют, он использует большую матрицу – более строгий вариант таблицы, – каждый элемент которой описывает кубит. Матрица эта меняется в абсолютном времени, тем самым разрушая концепцию единства пространства и времени, сформулированную Эйнштейном.

Мне это совсем не нравится. Но ведь потому и решено было поговорить с ним, напоминаю я себе.

«Ваша матрица конечна?» – спрашиваю я, не очень-то желая верить, что всю Вселенную можно свести в таблицу.

«Да», – отвечает Сяоган. И добавляет, что его подход предполагает конечность и самой Вселенной. «Если рассматривать пространство как решетку, то в каждом ее узле будет один или два кубита. Мы утверждаем, что постоянная решетки может быть планковского масштаба. Но у решетки нет непрерывной геометрии – Вселенная есть лишь отдельные кубиты. Квантовая динамика кубитов описывается матрицей, и матрица конечна».

Чудесно, думаю я; это еще уродливее, чем я предполагала. «Вы просто постулируете эту матрицу?» – спрашиваю я Сяогана.

«Да, – говорит он, – и я убежден, что все главные особенности Стандартной модели могут быть из этой матрицы получены. У нас еще нет полной модели, но все необходимые составляющие могут быть образованы кубитами на решетке».

«А что происходит со специальной теорией относительности?» – интересуюсь я.

«В точку! Вот об этом нам действительно стоит беспокоиться».

Действительно, думаю я, пока он объясняет, что специальная теория относительности «согласуется с кубитным подходом, но не естественным образом».

«Что значит “не естественным образом”?» – желаю я знать.

Оказывается, чтобы отладить специальную теорию относительности, Сяоган должен тонко настроить параметры модели. «Почему должно быть так, я не знаю, – говорит он. – Но если вы настаиваете, я могу это сделать».

Как только тонкая настройка будет осуществлена, кубитная модель Сяогана сможет примерно воспроизвести специальную теорию относительности, по крайней мере, так он мне говорит.

«Но калибровочные симметрии эмерджентны при низких энергиях?» – допытываюсь я, желая убедиться.

«Да», – подтверждает Сяоган. Учитывая, что «фундаментальная теория природы может и не иметь вообще симметрии», объясняет он, «нам в кубитной модели и не нужна никакая симметрия, чтобы на низких энергиях получить калибровочную».

Кроме того, говорит Сяоган, он и его коллеги нашли некоторые намеки на то, что модель может также содержать приближение общей теории относительности, хотя, подчеркивает он, точных выводов они пока не делали.

Я настроена скептически, но велю себе быть более открытой. Разве это не то, что я искала, – тропинка вне проторенной дороги? Разве на самом деле менее странно верить, что все состоит из струн, или петель, или некоего 248-размерного представления алгебры Ли, чем верить, что все состоит из кубитов?

Какой же явной дикостью должно выглядеть для человека, в последний раз имевшего дело с физикой в одиннадцатом классе, то, что людям платят за подобные идеи! Но ведь людям платят и за бросание мяча в кольцо, вспоминаю я.

«Как вашу работу приняли?»

«Плохо, – говорит Сяоган. – Специалистов по физике высоких энергий мало волнует то, что мы пытаемся сделать. Они спрашивают, зачем мы это делаем, поскольку думают, что Стандартной модели плюс теории возмущений вполне достаточно, а выходить за эти пределы, по их мнению, и не нужно».

Внезапно я понимаю, из чего исходит Сяоган. Дело вообще не в объединении взаимодействий. Он хочет вычистить грязную математику Стандартной модели.

Если вдруг у вас сложилось впечатление, что мы понимаем теории, с которыми работаем, вынуждена вас разочаровать – это не так. Мы даже не можем решить уравнения Стандартной модели, поэтому находим их приближенные решения с помощью так называемой теории возмущений.

Для этого мы сначала смотрим на частицы, вообще не взаимодействующие, чтобы понять, как они движутся в непотревоженном состоянии. Затем позволяем им сталкиваться друг с другом, но легонько, так, чтобы они не сшибали друг друга со своих траекторий слишком сильно. Затем мы производим последовательные уточнения, принимающие в расчет возрастающее число мягких столкновений, пока не достигнем желаемой точности вычислений. Будто сперва намечаем контур, а затем постепенно добавляем детали.