Ли Смолин - Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует

Мы не знаем, что есть темная энергия; мы знаем о ней только потому, что мы можем измерить ее влияние на расширение вселенной. Она проявляется как источник гравитационного отталкивания, однородно распространенный по пространству. Поскольку она распределена равномерно, ничто не происходит внутри нее, ее везде одинаковое количество. Единственное влияние, которое она может оказывать, это влияние на среднюю скорость, с которой галактики разбегаются друг от друга. В 1998 году произошло следующее: Наблюдения за сверхновыми в удаленных галактиках показали, что расширение вселенной ускоряется таким образом, который лучше всего мог бы быть объяснен существованием темной энергии.[1]

Одной из вещей, которой может быть темная энергия, является нечто, именуемое космологической константой. Этот термин обозначает энергию с поразительным свойством: Свойства энергии, такие как ее плотность, кажутся точно одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от того, где они находятся в пространстве и времени, и независимо от того, как они двигаются. Это в высшей степени необычно. Обычно энергия связана с материей, и имеется привилегированный наблюдатель, который двигается вместе с материей. Космологическая константа отличается. Она называется константой, поскольку вы получаете для нее одну и ту же универсальную величину, независимо от того, где и когда она измерялась и как двигается наблюдатель. Поскольку это, кажется, не имеет источника и объяснения в терминах частиц или волн, двигающихся в пространстве, она называется космологической – то есть, она является свойством всей вселенной, а не какой-либо отдельной вещи в ней. (Я должен заметить, что мы еще не уверены, что темная энергия на самом деле имеет форму космологической константы; все свидетельства, которые мы имеем на сегодня, указывают на это, но в следующие несколько лет мы узнаем гораздо лучше, на самом ли деле плотность энергии не изменяется в пространстве и времени.)

Теория струн не предсказала темную энергию; даже хуже, наблюдаемую величину очень трудно приспособить к теории струн. Следовательно, ее открытие форсирует кризис в этой области. Чтобы понять, почему, мы должны вернуться назад и обсудить странную, жалкую историю космологической константы.

История началась около 1916, когда Эйнштейн отказал в доверии самому эффектному предсказанию его тогда еще новой ОТО. Он принял важный урок ОТО, который заключался в том, что геометрия пространства и времени эволюционирует динамически. Так что, когда люди начали применять его новую теорию к моделям вселенной, его не должно было удивить то, что они нашли, что вселенная тоже динамически эволюционирует во времени. Модели вселенных, которые они изучали, расширялись и сжимались; даже казалось, что они имеют начало и конец.

Но Эйнштейн был удивлен этими результатами – и пришел в ужас. От Аристотеля до того момента вселенная всегда мыслилась статической. Она могла быть создана Богом, но если так, она с тех пор не должна была изменяться. Эйнштейн был самым творческим и успешным физиком-теоретиком предыдущих двух столетий, но даже он не мог себе представить вселенную как нечто, отличающееся от вечного и неизменного. У нас есть соблазн сказать, что если Эйнштейн на самом деле был гением, он мог бы поверить в свою теорию больше, чем в предубеждения, и предсказать расширение вселенной. Но более продуктивным уроком будет именно то, насколько тяжело даже для самого смелого мыслителя отбросить убеждения, которые сохранялись тысячелетия.

Он заметил, что его уравнения гравитации допускают новую возможность, которая была в том, что плотность энергии пустого пространства может иметь величину – иными словами, она может быть не нулевой. Более того, эта универсальная плотность энергии должна быть одинаковой для всех наблюдателей, независимо от того, где и когда они делали наблюдения, независимо от того, как они двигались. Так что он назвал это космологической константой. Он нашел, что влияние константы зависит от ее знака. Когда она является положительным числом, она будет заставлять вселенную расширяться – не просто расширяться, но делать это в ускоренном темпе. Это отличается от влияния обычной материи, которая заставляет вселенную сжиматься вследствие взаимного гравитационного притяжения всей содержащейся в ней материи. Так что Эйнштейн понял, что он должен использовать расширительную тенденцию нового члена для уравновешивания притяжения через гравитационную силу, таким образом добившись статичной и вечной вселенной.

Эйнштейн позже назвал космологическую константу своим самым большим просчетом. На самом деле он просчитался дважды. Во-первых, она не очень хорошо работала; она на самом деле не удерживала вселенную от сжатия. Вы могли бы сбалансировать сжатие, происходящее от материи, расширением, происходящим от космологической константы, но только на мгновение. Баланс по своей сути был нестабилен. Чуть-чуть пошевелите вселенную – и она начнет расти или уменьшаться. Но реальный просчет был в том, что идея статической вселенной была ошибочной с самого начала. Десятилетием позже астроном по имени Эдвин Хаббл начал находить свидетельства, что вселенная расширяется. С 1920х космологическая константа стала помехой, чем-то, от чего надо избавиться. Но с течением времени это становилось все тяжелее и тяжелее сделать, по крайней мере, теоретически. Нельзя было просто выбрать ее равной нулю и проигнорировать. Подобно слону на углу, она была здесь, даже если вы притворялись, что ее нет.

Люди вскоре начали понимать, что квантовая теория могла бы кое-что сказать по поводу космологической константы. К сожалению, это было прямо противоположным тому, что мы хотели бы услышать. Квантовая теория – в особенности, принцип неопределенности, – кажется, требует гигантской космологической константы. Если что-нибудь точно покоится, оно имеет определенное положение и импульс, а это противоречит принципу неопределенности, который говорит, что вы не можете знать оба эти свойства частицы. Следствие таково, что даже когда температура равна нулю, вещи двигаются. Имеется малая остаточная энергия, связанная с любой частицей и с любой степенью свободы даже при нулевой температуре. Она называется энергией вакуума или энергией основного состояния. Когда квантовая механика применяется к полям, таким как электромагнитное поле, имеется вакуумная энергия для любой моды колебаний поля. Но поле имеет гигантское количество мод колебаний; поэтому квантовая теория предсказывает гигантскую вакуумную энергию. В контексте ОТО Эйнштейна это подразумевает гигантскую космологическую константу. Мы знаем, что это неверно, поскольку это подразумевает, что вселенная должна была бы расширяться так быстро, что в ней совсем не смогли бы сформироваться никакие структуры. Тот факт, что имеются галактики, устанавливает очень сильные пределы на то, насколько большой может быть космологическая константа. Эти пределы примерно на 120 порядков величины меньше, чем предсказания, которые дает квантовая теория; это можно оценить поистине как наихудшее предсказание, когда-либо сделанное научной теорией.