Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Дэниел Фридан, видный участник первой революции в области теории струн, происходившей в 1980-е, недостатки теории признает. По его словам: «Многолетний кризис теории струн состоит в ее полной неспособности объяснить или предсказать физику любого удаленного процесса. Теория струн не дает конкретных объяснений существующим сведениям о реальном мире и не делает никаких определенных прогнозов. Невозможно оценить, а тем более установить ее надежность. В качестве претендента на физическую теорию теория струн не заслуживает доверия». Однако подобные скептики были в меньшинстве, их голос легко заглушался. Впрочем, физиков 1980-х и 1990-х, стоящих перед необходимостью овладеть квантовой гравитацией, можно простить за мысли о приоритете ковариантного подхода и преимуществах теории струн.

В теории струн была одна вещь, раздражавшая многих релятивистов: в ней, как в любом ковариантном подходе к квантовой гравитации, казалось, исчезала главная и основополагающая вещь — геометрия пространства-времени. Все сводилось к описанию взаимодействия, примерно как в объединившей в себе три вида взаимодействий стандартной модели, а также к способу его квантования. Небольшая группа релятивистов предпочитала двигаться вперед другой дорогой — через принятый Уиллером и отвергнутый Девиттом канонический подход. Он допускал разработку квантовой теории самой геометрии. В середине 1980-х перспективное решение было найдено индийским релятивистом Абэем Аштекаром. Это был преданный своему делу ученый из Сиракьюзского университета. Он нашел гениальный способ переписать уравнения Эйнштейна таким образом, чтобы оттуда исчезла ужасная нелинейность, в результате общая теория относительности приобрела намного более простой вид. Хитрость Аштекара неожиданным образом разблокировала уравнения Эйнштейна и позволила трем молодым релятивистам «поиграть» с их квантовой природой.

Как и Брайс Девитт, Ли Смолин увлекся квантовой гравитацией сразу же после поступления в аспирантуру в Гарварде в 1970-х. Его научный руководитель Сидни Коулмен дал ему возможность с головой погрузиться в эту тему, работая в Брандейском университете со Стенли Дезером. Школярские попытки квантования гравитации с треском провалились, но Смолин сохранил страстное желание решить эту задачу. И только в Йельском университете, будучи уже доцентом кафедры, он обнаружил, насколько хитрость Аштекара облегчила его работу. В Йеле Смолин начал сотрудничать с Теодором Якобсоном, бывшим студентом Сесиль Девитт-Моретт из Техасской релятивистской группы. Смолин и Якобсон обнаружили, что намного проще рассматривать не квантовые свойства геометрии в изолированных точках пространства в зависимости от времени, а набор точек, по сути, исследуя фрагменты пространства в определенные моменты времени. В их случае естественными строительными кирпичиками для квантовой теории стали петли в пространстве, позволяющие находить решения уравнения Уиллера-Девитта. Казалось, все встало на свои места и появился новый способ представления квантовой геометрии. Петли могли связываться друг с другом и переплетаться, образуя подобие кольчуги или другой замысловатой ткани. При этом, как и в случае с тканью, при наблюдении с большого расстояния переплетения нитей исчезают и появляется гладкое искривленное пространство-время из теории Эйнштейна. Подход Смолина и Якобсона был назван петлевой квантовой гравитацией.

К исследованиям Смолина присоединился молодой критически настроенный физик из Италии Карло Ровелли, также делавший первые шаги в нереально сложной алгебре квантовой гравитации. Ровелли нравилось быть бунтарем. В студенческие годы в Риме он создал альтернативную радиостанцию, преследовался властями за свои политические взгляды и чуть не попал в тюрьму за отказ от воинской службы. Ему подходили альтернативные воззрения. Смолин и Ровелли развили петлевой подход, исследовав, каким образом петли могут соединяться друг с другом, переплетаться и завязываться в узел. При этом они двигались от общей геометрии пространства ко все более детальным и фрагментарным представлениям. В середине 1990-х они натолкнулись на старую идею, которую Роджер Пенроуз использовал для описания квантовых систем в терминах простого математического наполнения. Пенроуз называл это спиновой сетью. Напоминающая детский гимнастический снаряд «паутинка», структура представляет собой сеть из связанных друг с другом вершин, каждая из которых обладает определенными квантовыми свойствами. Ровелли и Смолин показали, что такие сети будут наилучшими решениями уравнения Уиллера-Девитта. Но они сильно отличаются от интуитивного представления пространства и времени, с которыми привыкли работать все релятивисты.

Спиновые сети Ровелли и Смолина стали совершенно новым взглядом на квантовую гравитацию. В предложенной ими модели пространства на квантовом уровне не существует — оно, как вода, разбито на атомы или молекулы. На макроскопическом уровне вода выглядит гладкой и однородной, в то время как на самом деле она состоит из молекул, то есть небольших групп протонов, электронов и нейтронов, плавающих в пустом пространстве и слабо связанных друг с другом силой электрического взаимодействия. Совершенно аналогично, согласно воззрениям Ровелли и Смолина, пространство может казаться однородным, но перестает существовать при взгляде на него через мощный микроскоп. В их теории, если взглянуть с расстояния, не превышающего триллионной от триллионной сантиметра, вместо пространства появляется решетка, или сеть.

Теория петлевой квантовой гравитации стала реальным конкурентом теории струн в попытках квантования гравитации. Она и ее производные явились канонической альтернативой ковариантному подходу, выражавшемуся теорией струн. Ее поборники не пытались объединять все взаимодействия, но, взяв в качестве отправной точки геометрию, попытались сохранить красоту изначальной идеи Эйнштейна, выраженную в общей теории относительности. Как ни парадоксально, при этом они отказались рассматривать представления о пространстве-времени как нечто фундаментальное.

На лекции, которую Брайс Девитт читал в 2004 году незадолго до своей смерти, он поражался тому, как сильно изменились представления о квантовой гравитации: «При взгляде на теорию струн поражаешься, насколько сильно за пятьдесят лет поменялись роли. Раньше гравитация считалась безобидным фоном, не имеющим отношения к квантовой теории поля. Сейчас же она играет центральную роль. Ее наличие оправдывает теорию струн! В английском языке есть поговорка: “Нельзя сделать шелковый кошель из свиного уха”. В начале семидесятых теория струн была свиным ухом. Никто не воспринимал ее как фундаментальную теорию… В начале восьмидесятых картина перевернулась с ног на голову. Теория струн внезапно потребовалась для объяснения гравитации и прочих связанных и не связанных с ней вещей. С этой точки зрения она превратилась в шелковый кошель».