Как странно, что подобные низменные мотивы могут затрагивать даже физику, столь чистую и объективную! Но в этой науке в целом настали странные времена. Впервые в истории теория догнала эксперимент. В отсутствие новых данных физикам приходится руководствоваться в поисках окончательной теории не надежными эмпирическими данными, а чем-то другим. И это что-то они зовут красотой. Между тем в физике, как и во всей остальной жизни, красота – штука опасная.
Золотой стандарт красоты в физике – общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Что делает ее красивой? Во-первых, простота. Общая теория относительности в одном уравнении описывает силу гравитации как искривление геометрии пространства-времени в присутствии массы: масса говорит пространству-времени, как искривляться, пространство-время говорит массе, как двигаться. Во-вторых, ее неожиданность: кто бы мог себе представить, что целая теория родится из естественного предположения, что все системы отсчета равны и законы физики не должны меняться, если запрыгнешь на карусель? Ну и, наконец, ощущение незыблемости. Нельзя ничего изменить в логической структуре этой теории, не нарушив ее. Физик Стивен Вайнберг уподобил ее «Святому семейству» Рафаэля: каждая фигура на холсте нашла свое идеальное место, художник ничего не должен был сделать иначе.
Общая теория относительности Эйнштейна была одним из двух революционных нововведений начала XX века, знаменовавших начало новой эры в физике. Второй стала квантовая механика. Квантовая механика еще радикальнее отходила от привычной ньютоновой физики. В отличие от общей теории относительности, которая имела дело с четко определенными объектами, существующими в однородной, хотя и криволинейной, геометрии пространства-времени, квантовая механика описывала зыбкий, полный случайностей микромир, где все изменения происходят рывками, частицы ведут себя как волны (и наоборот) и над всем царствует неопределенность.
В первые десятилетия после этой двойной революции основные действия шли на квантовой стороне. Помимо гравитации, природой управляют три основные силы: электромагнетизм, сильное взаимодействие, удерживающее частицы в ядре атома, и слабое взаимодействие, вызывающее радиоактивный распад. В конце концов ученым удалось вписать все три силы в рамки квантовой механики, создав тем самым «стандартную модель» физики частиц. Стандартная модель – это зыбкая конструкция из палок и изоленты, она кое-как соединяет совсем не похожие виды взаимодействий, а ее уравнения содержат два десятка произвольных на первый взгляд констант – массы тех или иных частиц, соотношения тех или иных сил и так далее – которые пришлось измерять экспериментально и вводить в формулы «вручную». При всем при том стандартная модель оказалась, всем на радость, невероятно полезной – она предсказала результаты всех дальнейших экспериментов по физике частиц с поразительной точностью, зачастую до одиннадцатого знака после запятой. Как заметил однажды Фейнман, это все равно что вычислить расстояние от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка с точностью до волоска.
Стандартная модель сложилась к середине семидесятых и с тех пор всерьез не пересматривалась. (Окончательное триумфальное подтверждение она получила в 2012 году, когда благодаря Большому адронному коллайдеру в ЦЕРНе, в Европейском центре экспериментальной физики, был открыт бозон Хиггса, последняя недостающая деталь.) Стандартная модель говорит нам, как ведет себя природа на масштабе молекул, атомов, электронов и еще меньше, до таких маленьких масштабов, где гравитация настолько слаба, что ею можно пренебречь. Общая теория относительности учит нас, как природа ведет себя на масштабах яблок, планет, галактик и еще больше – там, где квантовые неопределенности усредняются, и их можно не учитывать. Казалось бы, эти теории совместно покрывают все природные явления. Но большинству физиков такое разделение труда не нравится. Ведь в природе все взаимодействует со всем. А значит, должен существовать единый набор законов, который бы все описывал, а не два несовместимых набора. И что будет, если области применимости двух теорий перекроются – в случае, если очень массивное тело окажется очень маленьким? Например, сразу после Большого взрыва вся масса нынешней наблюдаемой Вселенной была упакована в размер ядра атома. На таком крошечном масштабе квантовая неопределенность разбивает гладкую геометрию общей теории относительности, и невозможно предсказать, как поведет себя гравитация. Чтобы понять, как родилась Вселенная, нам нужна теория, которая «объединит» общую теорию относительности и квантовую механику. Это мечта каждого физика-теоретика.
Теория струн родилась случайно. В конце шестидесятых пара юных физиков продиралась сквозь дебри учебников по математике и натолкнулась на многовековой давности формулу – бета-функцию Эйлера, которая чудесным образом соответствовала последним экспериментальным данным по физике элементарных частиц. Поначалу никто понятия не имел, как так получается. Однако прошло несколько лет, и выяснилось, в чем скрытое значение формулы: если представлять себе элементарные частицы как тоненькие вибрирующие струны, все обретает смысл. Из чего же тогда состоят эти струны? На самом деле из ничего. Как выразился один физик, их надо считать «крошечными одномерными разрывами в гладкой ткани пространства».
Новая теория расходилась с прежними представлениями не только в этом. Мы считаем, что живем в мире, где три пространственных измерения (и одно временное). Но чтобы теория струн обрела математический смысл, мир должен иметь девять пространственных измерений. Почему же мы не замечаем шесть дополнительных измерений? Потому что, согласно теории струн, они свернуты в своего рода микрогеометрию, которая делает их невидимыми. (Представьте себе садовый шланг: издалека он выглядит одномерным, как линия, но вблизи становится видно, что у него есть второе измерение, свернутое в круг.) Некоторым физикам предположение о скрытых измерениях показалось экстравагантным. Однако нашлись и такие, кто решил, что это не слишком высокая цена за теорию. По словам Смолина, «теория струн сулила то, чего не было еще ни у какой теории, – квантовую теорию гравитации, которая была бы еще и подлинным объединением сил и вещества».
Но когда же она исполнит свои обещания? Прошли десятилетия с тех пор, как были замечены первые ее проблески, и за это время в теории струн состоялись две «революции». Первая – в 1984 году, когда удалось разобраться с некоторыми странностями, которые грозили погубить теорию. По свежим следам этого достижения четыре физика из Принстона, которых прозвали «Принстонский струнный квартет», показали, что теория струн и в самом деле способна охватить все силы природы. Затем за несколько лет физики всего мира написали более тысячи статей по теории струн. Кроме того, эта теория привлекла внимание самой авторитетной фигуры в теоретической физике – Эдуарда Виттена.
Виттен работает в Институте передовых исследований в Принстоне. Коллеги-физики относятся к нему с восхищением: известно, что его сравнивали с Эйнштейном. Подростком он интересовался скорее политикой, чем физикой. В 1968 году, когда ему было 17 лет, он напечатал в The Nation статью, где утверждал, что у «новых левых» нет политической стратегии. Виттен поступил на исторический факультет в Университет имени Брандейса и участвовал в предвыборной компании Джорджа Макговерна, который баллотировался в президенты США в 1972 году (Макговерн написал Виттену рекомендацию в аспирантуру). А когда Виттен решил избрать профессию физика, оказалось, что он невероятно быстро учится: он защитил диссертацию в Принстоне, прошел постдок в Гарварде, в 29 лет получил должность штатного преподавателя в Принстоне, а еще через два года – «стипендию для гениев» Макартура. Статьи Виттена – образцы глубины и ясности. Другие физики решают задачи при помощи сложных вычислений, а он – при помощи логических рассуждений, исходя из первооснов. Как-то Виттен сказал, что «величайшим интеллектуальным восторгом» его жизни было узнать, что теория струн может вместить и гравитацию, и квантовую механику. Его исследования по теории струн привели к потрясающим достижениям в чистой математике, особенно в абстрактной теории узлов. В 1990 году Виттен стал первым физиком, удостоенным медали Филдса – эквивалент Нобелевской премии для математиков.
Именно Виттен и возглавил вторую революцию в теории струн, мишенью которой была головоломка, возникшая отчасти из-за всех этих дополнительных измерений. Их нужно было свернуть так, чтобы они стали совсем маленькими и невидимыми, однако оказалось, что это можно сделать разными способами, и физики постоянно находят все новые и новые. Но если существует не одна версия теории струн, а несколько, как определить, какая из них верна? Эксперименты тут не помогли бы, поскольку теория струн работает с такими энергиями, что их невозможно обеспечить в ускорителях частиц. К началу девяностых было изобретено целых пять вариантов теории струн. Повеяло разочарованием. Но общее настроение заметно повысилось, когда Виттен в 1995 году объявил теоретикам струн, собравшимся на конференцию в Лос-Анджелесе, что эти пять разных на первый взгляд теорий – всего лишь грани чего-то большего, что он назвал «М-теорией». М-теория, помимо вибрирующих струн, допускает существование вибрирующих мембран и капель. На вопрос, почему теория так называется, Виттен отвечал уклончиво: он говорил, что «М – это магия, мистика или мембрана, кому что нравится». Затем он прибавил еще и вариант «мутный», поскольку «наше понимание теории, в сущности, очень примитивно». Другие физики предлагали «матрицу», «мать» («мать всех теорий») и «мастурбацию». Скептически настроенный Шелдон Глэшоу задавался вопросом, не может ли М оказаться на поверку перевернутой W – первой буквой фамилии Witten.
Сегодня, когда прошло больше двух десятилетий после второй революции, теория, которую раньше называли теорией струн, так и остается соблазнительной гипотезой, а вовсе не набором уравнений, а проблема неуникальности приобрела такой размах, что остается лишь руками развести. По последним подсчетам, количество теорий струн достигло примерно единицы с пятью сотнями нулей. «Может быть, просто счесть такое положение дел доведением до абсурда?» – спрашивает Смолин.