Однажды я услышал как в сериале «Теория большого взрыва» Шелдон Купер говорил, что теория струн — это теория всего. Что он имел в виду под этим? В том контексте, хоть и не всерьез, имелось в виду следующее. Теория струн может описывать все фундаментальные взаимодействия. Теория струн предполагалась как кандидат на единую теорию всего, то есть всех фундаментальных взаимодействий.

Для начала, стоит рассказать, что такое физическая теория. Точнее, стоит обсудить, что мы называем физической теорией. Давайте начнем с механики. Ньютонова механика — это теория, которая описывает взаимодействия физических объектов и как они двигаются как результат взаимодействия друг с другом. Ньютонова механика сводится к набору нескольких формул, которые позволяют рассчитать траекторию объектов как результат их взаимодействия. Но если разложить все по полочкам, то можно сказать, что Ньютонова механика – это некий конструктор, который состоит из отдельных кирпичиков. У вас есть правила, как вы будете эти кирпичики соединять.

Ньютонова механика годится для описания любых объектов. Камень, который мы бросили и который летит по параболе, или взаимодействие грузов на пружинке. В принципе мы не должны заранее говорить, какую физическую систему мы хотим описать. Разные физические системы могут быть описаны в рамках ньютоновой механики. То есть про физическую теорию и механику можно думать, как про некий конструктор. Или если хотите, как про PowerPoint: у вас есть какая-то платформа, на основе которой вы можете сделать разную презентацию. У вас есть базовые правила, вы можете вставить текст, вы можете вставить картинку, что-то еще можете вставить. И получатся разные презентации. И в данном случае PowerPoint – это просто платформа, которая определяет правила игры.

Точно так же получается и с механикой. Вы можете описать любую физическую систему, комбинируя ингредиенты правильным образом. У вас есть частицы здесь и пружинка здесь, и они взаимодействуют с силой F, а далее уравнение Ньютона описывает, как каждая часть будет двигаться. То есть каждая физическая теория – это такой конструктор. И не совсем правильно говорить, что ньютонова механика может предсказать траекторию камня. Потому что до того, как ньютонова механика предскажет траекторию камня, вам надо собрать этот конструктор. Вам надо сначала сказать, что существует один камень и на него действует сила тяготения, и задать начальные параметры. И только после этого механика будет иметь какую-то предсказательную силу.

В принципе все, что я сказал, достаточно очевидно. И обычно так по полочкам не раскладывается. И вы обычно не ждете, что механика, просто сама по себе даст ответ на вопрос, куда полетит камень. Максимум, который она вам может дать - это правила, по которым эти предсказания можно получить. Но, тем не менее, я хочу это проговорить, потому что я хочу применять те же самые критерии и для более серьезных физических теорий, таких как, например, теория струн.

До того, как мы начнем обсуждать теорию струн, давайте рассмотрим другую физическую теорию, квантовую теорию поля. Квантовая теория поля – это формализм для описания взаимодействия элементарных частиц. И у нас есть разные квантовые теории поля. Например, для описания электронов у нас есть так называемое поле Дирака. Для описания бозона Хиггса у нас есть квантовая теория скалярного поля. Для описания фотонов или калибровочных бозонов у нас есть соответственно квантовая теория калибровочных полей. А далее мы можем собирать эти ингредиенты в конструктор. Точно так же как в случае механики мы могли сказать, что у нас есть один грузик на пружинке, а могли сказать, что у нас есть несколько грузиков и несколько пружинок, в рамках квантовой теории поля мы можем сказать, что у нас есть разные поля, которые по-разному взаимодействуют. У нас есть правила, как собирать эти ингредиенты вместе. И в итоге у нас могут получиться очень разные физические теории.

Например, если мы скомбинируем все частицы, которые мы наблюдаем экспериментально в рамках этого конструктора, то у нас получится так называемая стандартная модель.

Стандартная модель – это конкретная реализация квантовой теории поля, которая описывает известные элементарные частицы, которые наблюдаются экспериментально. Описывает их очень хорошо. На данный момент нет никаких серьезных разночтений между результатами эксперимента и предсказаниями стандартной модели. Но квантовая теория поля становится теорией, которая может что-то предсказывать, только после того как мы собрали из нее что-то конкретное. То есть стандартная модель имеет предсказательную силу, а квантовая теория поля вообще предсказательной силы не имеет, потому что это некий конструктор. Точно так же как механика это некий конструктор. Пока мы не сказали, какие именно ингредиенты мы соберем вместе, никакой предсказательной силы быть не может. То есть там надо задать, грубо говоря, значения параметров, сказать, какие там будут частицы, какой массы, как они будут взаимодействовать. После того как мы все это высказали вслух, после этого у нас возникает предсказательная сила.

Значит, у нас в принципе есть в рамках квантовой теории поля инструкция, как собирать практически любые частицы вместе. И мы примерно понимаем, как процесс взаимодействия между этими частицами работает в рамках конструктора квантовой теории поля. Но у нас есть одна единственная частица, безмассовая частица спина два – гравитон, для которой у нас такой вот элемент конструктора отсутствует. То есть мы не знаем, как записать на квантовом уровне взаимодействие гравитонов друг с другом или с другими полями. Эту проблему можно переформулировать другими словами: у нас отсутствует теория квантовой гравитации. Классическая теория гравитации у нас есть – это теория относительности Эйнштейна. Она объясняет, как гравитоны взаимодействуют друг с другом классически. Но если мы хотим описать гравитоны на квантовом уровне, тогда такой элемент конструктора у нас отсутствует.

Соответственно, мы сейчас можем описывать взаимодействия любых частиц на квантовом уровне, кроме гравитонов. И то, что у нас отсутствует понимание, как на теоретическом уровне описать квантовое взаимодействие гравитонов, это одна из основных проблем фундаментальной теоретической физики. Это проблема, которую мы хотели бы решить. Теория струн в принципе эту проблему решает. Потому что теория струн предлагает метод описания гравитации на квантовом уровне. По крайней мере, концептуально теория струн это делает. Но теория струн сама по себе – это более сложный конструктор.

Квантовая теория поля – это конструктор с конечным количеством ингредиентов, которые мы в принципе понимаем, как можно комбинировать друг с другом. И хотя не полностью, но мы в целом понимаем, какие следствия этих комбинаций могут произойти. А теория струн – это куда более интересный и гибкий конструктор. Там тоже есть кирпичики, но они устроены совсем по-другому. И оказывается, что их можно комбинировать огромным количеством образов, значительно большим, чем в случае квантовой теории поля. И в случае теории струн, с одной стороны, мы знаем, что мы можем описать все частицы, которые нам нужны, и скаляры, и фермионы, и калибровочные бозоны, и гравитон мы можем тоже описать. Но с другой стороны, количество комбинаций таково, что у нас теряется понимание, что, в конце концов, можно сделать. Получается, что сделать можно практически все что угодно. То есть у нас получается конструктор слишком гибкий. И с одной стороны, это сила теории струн, что она является очень гибкой теорией. С другой стороны, это проблема.

На каких-то ранних этапах предполагалось, что если мы хорошо изучим теорию струн, поскольку она описывает все фундаментальные взаимодействия, то мы сможем понять, почему наш мир устроен именно так, как он устроен. Мы сможем понять, почему именно такие элементарные частицы мы наблюдаем в эксперименте, почему наша Вселенная имеет определенный размер и так далее и тому подобное. То есть смысл фразы, что теория струн – теория всего заключен именно в том, что теория струн описывает наш мир на самом фундаментальном уровне.

Но есть другой смысл этой фразы, который заключается в следующем. Теория струн – это очень гибкий конструктор и выясняется, что из него можно построить много других теорий. И то, что я хочу сейчас сказать, не является ни в коем случае строгой теоремой и многие люди со мной могут поспорить, но в принципе многие или почти все или все интересные физические теории, оказывается, являются частными случаями теории струн. То есть теорию струн можно представить в таком виде, что все ее многообразие можно свести к некому определенному случаю, и в рамках этого определенного случая возникнет какая-то конкретная интересная физическая теория. И практически все интересные физические теории укладываются в рамках теории струн.

Есть еще один важный аспект. Поскольку теория струн настолько разнообразна, поскольку этот конструктор оказался таким гибким, то получается, что у нас уже одной конкретной теории нет. У нас есть несвязанные почти или связанные, но не очень тесно, отдельные островки знаний. В каком-то смысле это с точки зрения организации самого научного знания и научного сообщества похоже на математику. С одной стороны, мы определяем математику как некую единую науку. Но с другой стороны, математика – это некая область знаний. И она настолько разнообразна, что ученые, которые работают над разными математическими темами, могут очень мало общаться между собой и даже не до конца понимать специфику научных вопросов друг друга.

Точно так же теория струн похожа на математику в том смысле, что есть много разных отдельных областей, которые связаны друг с другом, но технически они очень разные. Поэтому специалисты, которые сами себя называют «струнщики», могут заниматься разными аспектами, даже не до конца понимать специфику работы их коллег, которые занимаются другим аспектом. И иногда, когда люди рассказывают про специфику своей работы, они называют своею тему теорией струн, но два рассказа двух разных ученых будут очень сильно отличаться друг от друга. И в этом смысле ситуация немножко напоминает притчу о мудрецах, которые с закрытыми глазами изучали слона и каждый изучал только свою часть слона и представлял слона очень по-своему. В этом смысле это буквально та ситуация, которая происходит сегодня с теорией струн. Мы понимаем, что это единая теория, но какого-то такого общего понимания, которое бы соединяло отдельные знания в отдельных областях, его на данный момент не существует.

В завершение хотелось бы немножко сказать про предсказательную силу теории струн или точнее, почему ее нет. Предполагалось, что теория струн сумеет предсказать, почему наш мир устроен именно так, как он устроен. Потому что это фундаментальная теория взаимодействия фундаментальных частиц на самом глубоком уровне, и она сможет все предсказать. Но получилось с точностью до наоборот.

Теория струн оказалась настолько гибким конструктором, что фактически любую теорию можно в теорию струн встроить. И, соответственно, она потеряла свою предсказательную силу. Точно так же как механика не может ничего предсказать, пока вы не уточните, о какой физической системе идет речь. Точно так же как квантовая теория поля не может ничего предсказать, пока вы не уточните, о каких частицах с какими массами и с какими свойствами идет речь. Точно так же и теория струн ничего не может предсказать, пока вы не скажете, о какой конкретной реализации или о каком конкретном контексте теории струн идет речь. То есть многообразие теории струн оказалось губительным для предсказательной силы.

Анатолий Дымарский, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель Центра энергетических систем Сколковского института науки и технологий.

ПостНаука