Полная версия

Главная arrow Философия arrow История, философия и методология естественных наук

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

6.7. Теория струн

Трудности квантовой теории поля вынудили физиков к новым новациям. На этом пути дело дошло до теории струн, первопроходцами в развитии которой стали Г. Венециано, Б. Грин, А. Поляков, Л. Сасскинд, Э. Виттен, Дж. Шварц[1]. Начиная с 1968 г. теория струн приобрела многочисленные модификации. Она часто считается чуть ли не единственным претендентом на пышный титул "теории всего", т.е. всех действительных и возможных физических процессов. Автора, разумеется, более всего интересует концептуальное устройство теории струн, относительно которого часто безмолвствуют даже создатели теории.

Одной из характерных особенностей теории струн является широкое привлечение математического знания, в основном алгебраического и топологического толка. Разумеется, в квантовой теории поля также используется развитое математическое знание. Но ее творцы, как правило, стремились выбрать такую математическую теорию, которая была бы достаточна для описания экспериментальных данных. В результате математическое знание существенно ограничивается. Творцы теории струн следуют принципиально другой методологии. Они полагают, что используемый математический аппарат должен быть максимально богатым, избегая многих из тех ограничений со стороны эксперимента, которые принимают сторонники квантовой теории поля. Выражаясь несколько неточно, можно сказать, что всякая хорошая математика всегда актуальна для физики.

Что касается самой общей схемы описания, используемой в теории струн, то ею Л. Сасскинд считает пространство модулей суперсимметричных вакуумов[2]. Под модулями в данном случае понимаются непрерывные семейства классов эквивалентности объектов алгебраической геометрии. Модули не являются параметрами, они ведут себя подобно полям, подчиняясь некоторым уравнениям движения. В низкоэнергетическом приближении модули предстают в качестве скалярных мезмассовых полей. Но сугубо вакуумный мир не является нашим действительным физическим миром, поэтому разумно предположить, что существует множество неточечных структур. Как раз в этом месте резонно вспомнить о струнах.

Впервые на них обратили внимание в связи с представлением структуры адронов. Г. Венециано в 1968 г. удалось записать формулу рассеяния двух адронов как протяженных частиц. Он представил их в виде струн. Разумеется, струну можно считать состоящей из некоторых более мелких структур. Но в таком случае возникал образ точечных частиц, сопровождаемый шлейфом бесконечностей. Сторонники новой теории выдвинули предположение, что струна никакими деформациями не может быть стянута в точку. Это равносильно требованию невозможности односвязного трехмерного пространства. Для отрицания его физической значимости было достаточно признавать одномерные струны. Их размер приравняли к величине, называемой Планковской длиной, м, равной, где – масса протона. Впоследствии выяснилось, что нетнеобходимости ограничивать длину струны одним конкретным значением, достаточно считать, что она не исключает планковского региона и не сводима к нулю. Не исключается, что струна может растягиваться вплоть до мегаразмеров. Каждая мода колебаний струны представляет некоторую частицу. Струны обладают суперсимметрией и прикреплены к многомерным пространствам, в частности, к двух- и трехмерным бранам[3].

При всем обилии струнных теорий все они обладают конформной симметрией. Согласно принципу конформной инвариантности уравнения сохраняют свою форму при умножении всех расстояний на величину, произвольным образом зависящую от положения той точки, от которой отсчитывается расстояние. Конформная симметрия обеспечивает наличие оси времени, без которой невозможно было бы отобразить специфику физических явлений.

Ориентация струнных теорий на математические структуры широкой степени универсальности вынуждают каким-то образом объяснить переход к реальным физическим явлениям, вроде бы более специфическим, чем их исходные концептуальные основания. В частности, нуждается, например, в объяснении переход от n-мерного пространства-времени (п = 10, 11, 26) к трехмерному пространству и одномерному времени. Предполагается, что происходит компактификация пространства-времени, "лишние" его измерения, в случае 10-мерного пространства-времени их ровно шесть, сворачиваются и не проявляются в физических измерениях.

Уточняя свои представления о компактификации, сторонники теории струн пришли к голографическому принципу, согласно которому вся информация о некоторой области содержится в голограмме, которая относится к границе этой области. Причем она не является единственной. Например, реальное физическое пространство не обязательно должно признаваться трехмерным, оно может быть и двухмерным.

К открытию голографического принципа привели исследования выдающегося голландского физика Хоофта. Рассматривая картину гравитационного коллапса с позиций квантовой механики, он пришел к выводу, что на планковских масштабах размерность пространства-времени не 3 + 1, а 2 + 1. Это обстоятельство накладывает жесткие ограничения на возможные модели квантовой гравитации[4]. Вывод Хоофта далеко не тривиален, но он следовал непосредственно из физической теории. Согласно его интерпретации, редукция размерностей пространства и времени является реальным процессом и не связана с потерей информации. В этой связи Хоофт напомнил, что двухмерная голограмма, получаемая на плоскости, свидетельствует о трехмерном мире.

Сасскинд, обобщая идеи Хоофта, тесно увязал их с теорией струн. Показательно название его статьи "Мир как голограмма"[5]. Дело в том, что в теории струн всегда остро стоит вопрос не только о природе компактификации, но и об ограничительных условиях, позволяющих из сонма моделей выбрать действительно актуальные. Таким образом, выводы Хоофта оказались для теории струн в высшей степени актуальными. Многие ее сторонники пришли к выводу, что именно голографический принцип наиболее органичным образом выражает специфику теории струн.

"В конструкции, которая в настоящее время интенсивно исследуется, – отмечает Б. Грин, – управляемые теорией струн физические законы Вселенной имеют эквивалентное описание в терминах законов, относящихся лишь к граничной поверхности, размерность которой меньше, чем размерность пространства внутри. Некоторые теоретики считают, что полное понимание смысла голографического принципа и его роли в теории струн приведет к третьей революции в теории суперструн"[6].

Следует отметить, что голографический принцип часто распространяется не только на проблему компактификации пространства-времени, но и на теории. X. Малдасена в этой связи замечает, что "голографическое описание – это не просто интеллектуально-философский курьез. Физические уравнения, чрезвычайно сложные при одном подходе, могут оказаться относительно простыми при другом, что позволит без особых усилий решить труднейшие проблемы современной физики"[7].

С позиций голографического принципа вполне естественно выглядит любая демонстрация эквивалентности теорий. В частности, это относится к так называемой М-теории[8], в рамках которой была показана эквивалентность, или, иначе говоря, дуальность пяти 11-мерных теорий, в рамках которых получает интересное освещение проблема квантовой гравитации[9]. Причем эквивалентность показана с использованием представлений о различных типах дуальности. М-теорию часто считают олицетворением второй струнной революции[10].

Заслуживает специального внимания феномен дуальности. Если теорию можно преобразовать таким образом, что один из ее пределов эквивалентен другой теории, то эти две теории называются дуальными. Отношение дуальности свидетельствует о внутреннем единстве теории струн. Вычленение отношений дуальности часто позволяет справиться с вроде бы непреодолимыми трудностями. Допустим, что обнаружена дуальность двух теорий, в одной из которых успешно используется метод возмущений. Успехи, достигнутые в этой теории, проливают свет на вторую теорию.

Замечательной особенностью теории струн является ее связь с квантовой теорией поля. Как выяснилось, едва ли не все достижения квантовой теории поля учитываются в теории струн. Показательно в этой связи, например, что выявлена дуальность калибровочных и струнных теорий[11].

Итак, нами в определенной степени выявлены основные концептуальные ориентиры теории струн. По мнению автора, они сводятся к следующим концептам.

  • 1. Принцип математической универсальности: используйте математические теории максимального охвата[12].
  • 2. Концепт пространства модулей суперсимметричных вакуумных полей.
  • 3. Концепт суперсимметрии.
  • 4. Концепт конформной симметрии.
  • 5. Голографический принцип.

Обратимся теперь к философской оценке теории струн. Эта теория нечасто становится предметом философских размышлений[13]. Тем не менее вырисовывается уже некоторая тенденция. Философы не критикуют теорию струн, а пытаются понять ее статус в качестве недоопределенной теории. Классическая философия науки имела, дескать, дело исключительно с тщательно определенными науками, к которым предъявлялось требование эмпирической подтверждаемости. Теория струн не удовлетворяет этому условию. Но отсюда следует лишь необходимость их осмысления в горизонтах новой философии науки, которая придает должное значение статусу и актуальности недоопределенных наук. Рассматриваемая тенденция очень четко прописана в статье Р. Дэвида[14], которую автор решил избрать предметом дальнейшего анализа.

Он приводит шесть аргументов, призванных обосновать актуальность теории струн в качестве недоопределенной концепции, а именно:

  • 1) отсутствие выбора, ибо нет ничего лучшего;
  • 2) необходимость дальнейшего развития стандартной модели физики элементарных частиц;
  • 3) внутренняя связность, характерная для теории струн;
  • 4) структурная однозначность (всё есть струны. – Прим. авт.)•,
  • 5) требование выработки заключительной теории;
  • 6) новая концепция научного прогресса (решающий успех должен быть достигнут сейчас, за период жизни нынешнего поколения физиков, а не в неопределенном будущем).

Дэвид, настаивая на необходимости выработки нового философского инструментария для оценки теории струн, тем не менее воздерживается от какой-либо конкретной его характеристики.

Пожалуй, пора высказать точку зрения автора. Разумеется, современная физика подвержена многочисленным модификациям, которые часто разнонаправленны. Так, с одной стороны, наблюдается тенденция к интеграции знания, проявляющаяся, например, в стремлении выработать единую теорию взаимодействия физических объектов. С другой стороны, стремительно набирает темп дифференциация знания, проявляющаяся в сонме моделей. Нет никаких оснований считать, что плюрализм и единство несовместимы друг с другом.

Что касается положения дел в теории струн, то оно действительно вызывает беспокойство. Такая ситуация определяется, по мнению автора, метанаучным сумбуром, царящим в теории струн. Ощущается острый дефицит воли к метанаучным исследованиям. Любой исследователь, имея дело с некоторой теорией, обязан четко прописать ее по определенному адресу, например математическому, физическому, информационному. Но это, как правило, не делается. В отсутствие целенаправленного метанаучного анализа неизбежно возникает концептуальная сумбурность, сбивчивость. В отличие от Дайна автор не склонен считать недоопределенную теорию концептом, заслуживающим одобрения. Недоопределенная теория недостаточна постольку, поскольку она не определена должным образом. Широкое распространение недоопределенных теорий вызвано не прогрессом знания, а отсутствием должного внимания к метанаучным вопросам. Можно ли избавиться от метанаучного сумбура? А почему нет? – Дорогу осилит идущий!

Выводы

  • 1. Теория струн является актуальным проектом по дальнейшему развитию физики.
  • 2. В ней остро ощущается потребность в метанаучных исследованиях.

  • [1] Грин М., Шварц Дж., Виттен Э. Теория суперструн. М.: Мир, 1990. Т. 1, 2; Поляков А. М. Калибровочные поля и струны. М.: ИТФ, 1995; Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: Едиториал УРСС, 2007.
  • [2] Susskind L. The anthropic landscape of string theory // URL: arxiv. org/pdf/hep-th/0302219.pdf
  • [3] Брана (от "мембрана") – гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности меньшей, чем размерность того пространства, в котором он находится.
  • [4] Hooft G. 'с. Dimensional reduction in quantum gravity // URL: arxiv.org/pdf/gr-qc/9310026v2.pdf.
  • [5] Susskind L. The world as a hologram // URL: arxiv.org/pdf/hep- th/9409089v2.pdf.
  • [6] Грин Б. Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории) // URL: libok.ru/ read/?id=58&р=187/
  • [7] Малдасена X. Иллюзия гравитации // URL: elementy.ru/ lib/430191/.
  • [8] Термин М-теория предложил Э. Виттен. Он подчеркивал, что "М обозначает в зависимости от вкуса волшебство, мистерию или мембрану": Witten Е. Duality, spacetime and quantum mechanics // Physics Today. 1997. Vol. 50. No. 5. P. 32.
  • [9] Гуков С. Г. Введение в струнные дуальности // Успехи физических наук. 1998. Т. 168. № 7. С. 706–717.
  • [10] Первая струнная революция чаще всего связывается с осознанием в 1984–1989 гг. возможности универсального описания в рамках теории струн всех типов взаимодействия элементарных частиц. Третья революция отсчитывается от 2000 г. и связана с представлением о пространстве модулей вакуумных полей и голографическом принципе.
  • [11] Горский А. С. Калибровочные теории как теории струн: первые результаты // Успехи физических наук. 2005. Т. 175. № 11. С. 145–162.
  • [12] Максимально широкой математической теорией является все-таки не алгебра, а теория категорий.
  • [13] Weingard R. A philosopher looks at string theory // Proceedings of the Philosophy of Science Association 1988. Chicago. 1989. Vol. 2. P. 95–106; Hedrick R. The internal and external problems of string theory – a philosophical view // URL: arxiv.org/ftp/physics/papers/0610/0610168.pdf/
  • [14] Dawid R. Underdetermination and theory succession from the perspective of string theory // Philosophy of Science. 2007. Vol. 73. No. 3. P. 298–322.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>