Существует немного теорий, которые могли бы сравниться по популярности и известности с теорией относительности Эйнштейна
25 ноября 1915 года Альберт Эйнштейн объявил полные математические подробности общей теории относительности. В общей теории относительности (ОТО) к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным.
С тех пор теория многократно проверялась на практике и, в общем, доказала свою состоятельность, однако не во всем и не везде. А попытки объединить ее с другим детищем науки XX века - квантовой механикой, - и создать общую теорию "всего на свете" пока ни к чему не привели.
Да и сам Эйнштейн, как говорят, в конце жизни пытался изменить отдельные положения своей теории, но что-то у него не заладилось. Насколько современная наука продвинулась вперед за прошедшие сто лет?
В гостях у программы "Пятый этаж", которую ведут Михаил Смотряев и Александр Кан, - Андрей Старинец, научный сотрудник Центра теоретической физики имени Рудольфа Пайерлса Оксфордского университета.
Загрузить подкаст передачи "Пятый этаж" можно здесь.
Андрей Старинец: Во-первых, давайте подведем черту под понятиями того, о чем мы будем говорить. Общая теория относительности, столетие которой мы отмечаем в этом году, - это теория гравитации. Это обобщение ньютоновской теории гравитации, которая была сформулирована в XVII веке, и замечательно нам служила и продолжает служить. Отклонение от ньютоновской теории гравитации в обычных ситуациях, например, на поверхности Земли, - это эффекты порядка десять в минус седьмой, десять минус в восьмой, то есть это не очень большие отклонения. Тем не менее, они заметны, они измеримы и они могут быть теоретически предсказаны, что было сделано Эйнштейном.
То есть общая теория относительности – это обобщение уже существовавшей к этому времени ньютоновской теории гравитации. Во-вторых, как и любая физическая теория, которая является обобщением теории №1, теория относительности Эйнштейна имеет свою область применения и свои пределы. Ничего страшного не произойдет, если через какое-то время выяснится, что нам нужно модифицировать эту теорию или заменить ее более общей. Речь не идет об опровержении теории относительности Эйнштейна, как специальной, так и общей теории относительности, потому что и та и другая теории подтверждены экспериментами. Тут говорить вообще не о чем.
Только люди, которые хотят чем-то прославиться, постоянно пишут какие-то трактаты об опровержении Эйнштейна. Это ерунда.
Речь идет об обобщении, то есть о том, чтобы найти теорию, которая обобщает теорию относительности Эйнштейна в тех пределах, в тех областях применимости, где теория относительности перестает работать по каким-то внутренним своим причинам, например, описание сингулярности черных дыр или описание Большого взрыва, самых первых мгновений Большого взрыва, когда классические уравнения общей теории относительности перестают работать, и сама теория нам об этом говорит. Вопрос заключается в том - и физики работают над этим очень напряженно, - чтобы обобщить то, что сделал Эйнштейн сто лет назад.
М.С.: С одной стороны, действительно здесь работы непочатый край, с другой стороны - время от времени раздаются из стана теоретических физиков заявления о том, что «мы уже близко». Началось все это с объединения слабых взаимодействий с электромагнитными. Очень популярны были грандмодели. Сейчас об этом говорят все меньше.
У человека, далекого от теоретической физики в ее текущем, нынешнем варианте, может сложиться такое представление исключительно на бытовом уровне, что ученые занимаются соединением каких-то одним им понятных концепций, для того чтобы это красиво выглядело, грубо говоря, не только изобретают велосипед, но и существенно его усложняют, потому что разобраться в теории струн с их многочисленными измерениями – у нас четыре измерения в голове укладываются очень сложно, простые, эйнштейновские, а добавить туда еще семь, а если вдруг не хватит, еще двадцать два, - это уже выходит за рамки.
Скажите, физики вообще понимают на пальцах, что именно они делают, или это уже давно вышло за рамки человеческого восприятия на том уровне, на уровне рецепторов мозга, которые нам даны природой?
А.С.: Я думаю, что физики достаточно хорошо понимают, что они делают. То, о чем вы говорили, - нужно иметь в виду, что обязательно необходимо отделить чисто научные проблемы, эволюцию чисто научных вещей от каких-то социологических эффектов, которые неизбежно им сопутствуют.
Вы говорили о некоем взрыве энтузиазма, связанном с успешным объединением электромагнетизма и слабых взаимодействий в 70-е годы с формулировкой теории струн в ее первоначальном виде. Это случилось в такой, в хорошей, форме в 1984 году. Этому сопутствовал определенный взрыв энтузиазма, во-первых, у самих физиков и потом в обществе, потому что это, как волны на воде, зачастую в искаженном виде, передавалось и в более широкие слои населения.
Люди считали, что сейчас мы сформулируем теорию всех взаимодействий, что мы объясним не только стандартную модель взаимодействия между частицами, квантовую гравитацию, объединим все это вместе, и у нас будет некий прорыв грандиозного масштаба – объяснимая космология и все остальное. Этого не случилось в последние десятилетия, и определенное разочарование в связи с этим есть. Это не значит, что люди не понимают, над чем они работают, что они заблуждались все эти 20-30 лет, все делали не так.
Есть какие-то определенные научные процессы, которые идут своим чередом, а есть социология, какие-то журналистские вещи и другие социологические эффекты, которые нужно очень четко отделять от научных. Проблемы по-прежнему открыты.
Проблемы какие? Эйнштейн в 1915 году фактически решил проблему объединения специальной теории относительности, у которой есть конечная скорость распространения взаимодействий, то есть скорость света, с теорией гравитации. Это и есть общая теория относительности, в которой гравитация распространяется со скоростью света, а не с бесконечной скоростью, как это было в ньютоновской теории. Эта проблема была решена.
Проблема, которая не решена до сих пор, - это объединение общей теории относительности, то есть релятивистской теории гравитации, с квантовой механикой или с квантовой теорией поля. Теория струн – это попытка решить эту проблему и попутно объединить четыре существующие взаимодействия. Эта попытка продолжается. Приведет ли она к успеху, сказать я не могу, потому что много усилий, как вы правильно заметили, потрачено на это, перспективы достаточно туманные в связи именно с колоссальной технической сложностью теории, с которой сталкиваются физики. Люди работают над этим.
Это не значит, что нет других попыток как-то объяснить или связать гравитацию с квантовой механикой, квантовой теорией поля. Нет связанной теории струн. Такие попытки тоже существуют. Это вариант свободного поиска очень многих – десятков, может быть, даже сотен – людей, которые безусловно понимают, что они делают. Другое дело, что эта работа очень и очень трудная.
Александр Кан: Я как раз отношусь к тем людям, которые вообще во всем этом практически ничего не понимают. Я даже пытался какое-то время разобраться, но давно эту затею бросил, и не буду сейчас пытаться просить вас, что-то еще объяснить. Меня интересует другое, как человека глубоко гуманитарного. Почему именно теория относительности, этот один из важнейших аспектов мировой физики, в котором, вы сами говорите, несколько сот человек занимаются, почему эта теория стала одной из самых поистине популярных научных теорий XX века?
По сути дела она относится не по степени своего постижения, а по популярности, к поп-науке. О ней все говорят, все знают, мультфильмы снимают, она фигурирует чуть ли не в анекдотах. Откуда именно эта теория получила столь широкое распространение во всем мире?
А.С.: Я думаю, что здесь есть несколько аспектов, один из которых связан действительно с определенной особенностью самой теории относительности. Дело в том, что в отличие от очень многих физических теорий, которые создавались как непосредственное обобщение экспериментальных данных, собранных на протяжении десятилетий, с огромным количеством ошибок, предварительных теорий, в общей теории относительности все произошло не так.
Общая теория относительности – это пример того, как фактически силой чистого разума или, если угодно, чистого гения можно было радикально изменить представление о структуре пространства, времени и о структуре Вселенной чисто теоретически. Конечно, были определенные предпосылки, были определенные противоречия, которые натолкнули Эйнштейна на мысль обо всем этом. Но все-таки это было очень не похоже на то, что происходило с другими физическими теориями.
В каком-то смысле этот триумф. Дело в том, что математика в общей теории относительности – это математика, которая в те годы, 100 лет назад, не изучалась на физических факультетах. Это были какие-то достаточно экзотические математические структуры, которых Эйнштейн сам не знал. У него были друзья математики, которые ему объясняли, как работать с этими техническими выражениями, и он научился у них фактически этому.
То есть некоей силой чистого разума, чистого гения можно было, тем не менее, предложить достаточно сложную нелинейную систему уравнений, которая оказалась правильной. Потом с помощью экспериментальных проверок, наблюдений и так далее эти представления оказались совершенно верными. Это сыграло значительную роль в популярности общей теории относительности.
Более того, я думаю, что это наложило отпечаток на то, как теоретическая физика вообще развивалась в XX веке, включая теорию струн, потому что это пример, что можно просто из определенной системы логики, математики, интуиции и так далее сформулировать правильную теорию очень общего характера. Это доминирует.
Второй аспект, который я обязан упомянуть, потому что он, наверняка, играл существенную роль, - это личность самого Эйнштейна, и исторический фон, и все перипетии того времени – 20-е годы, потом приход к власти нацизма, тот факт, что Эйнштейн был в тяжелейших отношениях с рейхом по понятным причинам, - такая социологическая компонента, которая, в популяризации, в привлечении внимания к этой теме со стороны журналистов, тоже сыграла свою роль.
М.С.: Андрей Олегович, вам не кажется в таком случае, что в определенной степени общая теория относительности и ее дальнейшее развитие стала заложницей своей собственной популярности, времени и автора? Эта идея объединения общей теории относительности, теории гравитации, которая является, по сути, классической теорией, с квантовой механикой, квантовой теорией поля, происходит, во многом, из-за того, что обе теории в своих пределах, в пределах применимости, хорошо себя зарекомендовали и прекрасно сочетаются с экспериментами.
Нет ли здесь определенной инерции? В конце концов, уже сто лет у нас есть общая теория относительности, она прекрасно работает. Зачем выдумывать что-то новое абсолютно с нуля? Давайте продолжать пытаться строить стандартные модели на ее основе.
А.С.: Во-первых, за сто лет теория относительности была очень сильно развита. Уравнения самой теории не изменились, за исключением небольших вещей, которых я касаться не буду, но самые главные уравнения, написанные Эйнштейном, такие же, какие были в 1915 году.
Но это не значит, что теория не развивалась. Были найдены решения, была найдена интерпретация этих решений и так далее, то есть произошел очень большой прогресс в развитии самой теории. Что касается вашего главного вопроса, то, я думаю, что ответ на него отрицательный, то есть я не думаю, что речь идет о некоем заложничестве, некоем социологическом влиянии.
Это можно пояснить достаточно простым образом. Фактически уравнения Эйнштейна представляют собой одну строчку в компактном виде, где слева стоят определенные математические чисто геометрические выражения, которые имеют отношение к искривлению пространства-времени. В правой части стоит тензор энергии-импульса материи и энергии, то есть это наша стандартная модель, то есть те частицы, поля, которые у нас во Вселенной живут.
Эти поля и частицы описываются квантовой теорией поля, - мы прекрасно это знаем, - и они описываются ею прекрасно. То есть квантовая теория стоит справа, а слева стоят классические уравнения.
Это означает, что только в определенном пределе, когда мы можем говорить о квазиклассическом переходе квантовых полей к классическим, мы можем доверять этому уравнению. На классическом уровне оно работает прекрасно. Но поскольку правая часть квантуется, значит, и левая часть должна каким-то образом учитывать эти квантовые эффекты. Поэтому в каком-то смысле мне кажется, что квантование гравитации и создание квантовой теории гравитации - это просто необходимость, а не следствие социологической инерции.
М.С.: Раз уж мы к этому подошли, прогнозы дело не благодарное, конечно, но если это так необходимо, когда, по-вашему, в той или иной форме следует ждать появления общей теории всего? Мы помним, как в конце XIX – начале XX века физики провозгласили конец теоретической науки в течение 10-15 лет, а потом появился Эйнштейн, потом у него случился диалог с Бором, в это во все вмешался Планк, а последствия мы расхлебываем до сих пор?
А.С.: Да, последствия мы расхлебываем, в том числе и имея в виду колоссальное количество технологий, которые были созданы на базе квантовой механики и всего остального, что произошло в XX веке. Вопрос, конечно, чрезвычайно сложный.
Действительно невероятно сложно оценить перспективы создания квантовой гравитации, я уже даже не говорю о теории струн. Теория струн является главным кандидатом на создание теории квантовой гравитации, потому что там гравитация достаточно естественным образом вписывается вместе с остальными взаимодействиями. Не нужно предпринимать никаких неуклюжих теоретических попыток, все происходит достаточно естественно. Но, как я уже говорил, теория струн, возможно, переживает не самые лучшие годы в том смысле, потому что стало понятно, что эта теория невероятно сложная.
Обычно происходит как? Есть формулировка теории, есть какие-то уравнения, например, уравнение Эйнштейна. Их можно решить, из них что-то следует, какие-то физические эффекты, а потом кто-то идет, и эти физические эффекты проверяет, меряет. Получилось – хорошо, значит, теория правильная, не получилось – надо думать дальше.
С теорией струн ситуация очень тяжелая. Частично уравнения теории струн сформулированы и частично даже эффекты, можно сказать, предсказаны. Например, мы знаем, что к той же самой общей теории относительности теория струн предсказывает поправки. Но эти поправки чрезвычайно малы. Они настолько малы, что при нынешнем уровне экспериментальной техники, даже при каком-то гипотетическом прогрессе в уровне экспериментальной техники померить их будет практически невозможно. Во всяком случае, никто не догадался пока, в каких ситуациях их можно померить.
Сама теория струн не завершена, уравнения теории полностью не выписаны. В этой ситуации ответить на вопрос, когда же мы получим квантовую теорию гравитации, я боюсь, просто невозможно. Самый пессимистический прогноз – физик, как обычно, рассматривает предельные переходы – ноль, бесконечность и так далее, - это никогда. Можно рассуждать так, что есть какие-то вещи, которые при всем блеске человеческой мысли, возможно, так и останутся непознанными на том уровне, на котором существует человеческое сознание. Но это очень пессимистический прогноз.
Что касается оптимистического прогноза, я думаю, что теория струн, безусловно, будет развиваться и дальше, и в течение ближайших двадцати, может быть, тридцати лет станет ясно, можно ли дать ответ в рамках тех представлений теории струн, с которыми она была изначально сформулирована. Если, нет – это значит, что нужно будет вводить в игру какие-то дополнительные представления. Об этом, конечно, невозможно спекулировать ни в какой форме.
М.С.:Разве что, в очень квантовой форме, исходя из того, что это все процессы вероятностные – или будет, или нет.
