• Название:

    Smolin rus


  • Размер: 3.84 Мб
  • Формат: PDF
  • или
  • Сообщить о нарушении / Abuse

Установите безопасный браузер



  • Название: Задачи для школьных олимпиад по физике
  • Автор: misha

Предпросмотр документа

Ли Смолин 

Неприятности с физикой: взлет теории
струн, упадок науки и что за этим
следует

Перевод с английского издания: Penguin Book, London, 2007; ISBN 9780713997996
Lee Smolin. The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and
what comes next.
(c) 2007 Артамонов Юрий Александрович (перевод) y-a-arta@yandex.ru

Аннотация: Новая книга Ли Смолина «Неприятности с физикой...» эмоционально противоположна восторженному энтузиазму книг Брайана Грина. У современных теорий переднего края (прежде всего, у теории струн) есть немалые проблемы, и честный разговор о них служит этаким ведром холодной воды на
горячие головы. Ли Смолин известен как один из отцов-основателей теории петлевой квантовой гравитации – главного конкурента струнного подхода, – а также как автор книг Life of the Cosmos (1997) и Three
Roads to Quantum Gravity (2001), в России не издававшихся. Книга местами не проста для осмысления, но
весьма информативна. В ней в одном месте собраны самые последние результаты, которые неспециалисту
было бы нелегко найти по первоисточникам. В первых трех частях книги оценивается состояние фундаментальной физики под тем углом, что теория струн зашла в тупик, приводятся свежие экспериментальные
данные, не находящие объяснения в ее рамках. Четвертая часть посвящена организации (западной) академической науки и социальным причинам стагнации в области фундаментальной физики.

Содержание
Введение.........................................................................................................................................4
Часть I. Незавершенная революция ......................................................................................15
1. Пять великих проблем теоретической физики .....................................................................15
2. Красивый миф ..........................................................................................................................24
3. Мир как геометрия...................................................................................................................37
4. Объединение становится наукой............................................................................................47
5. От объединения к суперобъединению ...................................................................................54
6. Квантовая гравитация: развилка на дороге ...........................................................................63
Часть II. Краткая история теории струн ..............................................................................75
7. Подготовка к революции.........................................................................................................75
8. Первая суперструнная революция .........................................................................................83
9. Революция номер два ..............................................................................................................94
10. Теория всего, чего угодно....................................................................................................106
11. Антропное решение .............................................................................................................114
12. Что объясняет теория струн................................................................................................124
Часть III. За пределами теории струн..................................................................................139
13. Сюрпризы реального мира..................................................................................................139
14. Равняясь на Эйнштейна.......................................................................................................151
15. Физика после теории струн.................................................................................................160
Часть IV. Обучаясь на опыте ................................................................................................175
16. Как вы боретесь с социологией? ........................................................................................175
17. Что есть наука?.....................................................................................................................193
18. Пророки и ремесленники ....................................................................................................205
19. Как на самом деле работает наука......................................................................................219
20. Что мы можем сделать для науки.......................................................................................230
КОММЕНТАРИИ И ССЫЛКИ ............................................................................................235
Введение ......................................................................................................................................235
1. Пять великих проблем теоретической физики ..................................................................235
2. Красивый миф ........................................................................................................................235
3. Мир как геометрия ................................................................................................................236
4. Объединение становится наукой.........................................................................................236
5. От объединения к суперобъединению..................................................................................237
6. Квантовая гравитация: развилка на дороге .......................................................................237
7. Подготовка к революции.......................................................................................................238
8. Первая суперструнная революция........................................................................................238
9. Революция номер два .............................................................................................................239
10. Теория всего, чего угодно ....................................................................................................239
11. Антропное решение .............................................................................................................240
12. Что объясняет теория струн............................................................................................240
2

13. Сюрпризы реального мира ..................................................................................................241
14. Равняясь на Эйнштейна......................................................................................................242
15. Физика после теории струн ...............................................................................................242
16. Как вы боретесь с социологией?........................................................................................243
17. Что есть наука? ..................................................................................................................245
18. Пророки и ремесленники......................................................................................................246
19. Как на самом деле работает наука...................................................................................248
Благодарности ..........................................................................................................................249

3

Введение
Может быть или может не быть Бога. Или богов. Однако есть что-то облагораживающее в нашем
поиске божественного. А также нечто очеловечивающее, что отражается в каждом из путей, которые открывали люди, чтобы привести нас к более глубоким уровням истины. Некоторые отыскивают трансцедентное в медитации и молитве; другие ищут его в служении своим близким людям;
еще другие, кто достаточно счастлив, чтобы иметь талант, ищут запредельное, занимаясь искусством.
Другим путем, затрагивающим самые глубокие вопросы жизни, является наука. Не то, чтобы каждый ученый являлся исследователем; большинство как раз нет. Но в рамках каждой научной
дисциплины имеются те, кто страстно стремится узнать что-то самое существенно правильное о
своей теме. Если они математики, они хотят знать, что есть числа или какой вид истины описывает математика. Если они биологи, они хотят знать, что есть жизнь и как она возникла. Если они
физики, они хотят знать все о пространстве и времени и что привело мир к существованию. Эти
фундаментальные вопросы наиболее тяжелы для ответов, и прогресс редко бывает непрерывным.
Только горстка ученых имеет настойчивость для такой работы. Это один из самых рискованных
видов деятельности, но велика и награда: когда кто-то отвечает на вопрос об основаниях той или
иной темы, он может изменить все, что мы знаем.
Поскольку добавлять что-то в наше растущее хранилище знаний является их работой, ученые
проводят свои дни, борясь с тем, чего они не понимают.
И те ученые, кто работает над основаниями любой заданной области, полностью осознают, что
кирпичи в основании здания никогда не бывают так тверды, как склонны верить их коллеги.
Это история о поиске понимания природы не ее самом глубоком уровне. Ее главными героями
являются ученые, которые работали, чтобы расширить наше знание основных законов физики.
Период времени, к которому я буду обращаться, – грубо с 1975 года, – является промежутком и
моей собственной профессиональной карьеры как физика-теоретика. Он же может быть и самым
странным и разочаровывающим периодом в истории физики с тех времен, когда Кеплер и Галилей четыреста лет назад положили начало практике нашего ремесла.
История, о которой я буду говорить, могла бы читаться некоторыми как трагедия. Говоря прямо, –
и чтобы обозначить линию удара, – мы потерпели неудачу. Мы унаследовали науку, физику, которая прогрессировала настолько быстро и настолько долго, что часто принималась за образец
того, как должны действовать другие области науки. На протяжении более чем двух столетий до
сегодняшнего времени наше понимание законов природы быстро расширялось. Но сегодня, несмотря на все усилия, то, что мы достоверно знаем об этих законах, не превышает того, что мы
знали о них в 1970е.
Насколько необычно то, что на протяжении трех десятков лет в фундаментальной физике не произошло значительного прогресса? Даже если мы посмотрим назад более чем на двести лет, в те
времена, когда наука большей частью касалась богатых любителей, это беспрецедентно. По
меньшей мере, с конца восемнадцатого века существенный прогресс по ключевым вопросам достигался каждые четверть века.
К 1780, когда количественные химические эксперименты Антуана Лавуазье показали, что материя
сохраняется, законы движения и гравитации Исаака Ньютона уже существовали почти сто лет.
Но, хотя Ньютон дал нам систему для понимания всей природы, граница была широко открыта.
Люди еще только начали изучать основные факты о материи, свете и теплоте, и еще предстояло
прояснить загадочные явления вроде электричества и магнетизма.
4

На протяжении следующих двадцати пяти лет главные открытия были сделаны в каждой из этих
областей. Мы начали понимать, что свет есть волна. Мы открыли закон, который управляет силами между электрически заряженными частицами. И мы сделали гигантский скачок в нашем понимании материи с атомной теорией Джона Дальтона. Было введено понятие энергии, интерференция и дифракция были объяснены в терминах волновой теории света, было обнаружено электрическое сопротивление и взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.
В следующую четверть века, с 1830 по 1855, возникло несколько основных концепций, лежащих в
основе современной физики. Майкл Фарадей осознал, что силы передаются полями; использованная им идея привела к величайшему продвижению нашего понимания электричества и магнетизма. В течение того же периода было предложено сохранение энергии, а также второй закон термодинамики.
В следующей четверти века пионерские идеи Фарадея о полях были применены Джеймсом Клерком Максвеллом в нашей современной теории электромагнетизма. Максвелл не только объединил
электричество и магнетизм, он объяснил свет как электромагнитную волну. В 1867 он объяснил
поведение газов в терминах атомной теории. В течение того же периода Рудольф Клаузиус ввел
понятие энтропии.
Период с 1880 по 1905 отметился открытиями электрона и Х-лучей. В несколько этапов было
проведено изучение теплового излучения, которое привело в 1900 к открытию Максом Планком
правильной формулы для описания тепловых свойств радиации – формулы, которая воспламенит
квантовую революцию.
В 1905 Альберту Эйнштейну было двадцать шесть лет. Он не смог получить академическую работу, несмотря на тот факт, что одни его ранние труды по физике теплового излучения могли бы
рассматриваться как важный вклад в науку. Но это была только разминка. Вскоре он сосредоточился на фундаментальных вопросах физики: и первое, как относительность движения могла бы
согласовываться с законами электричества и магнетизма Максвелла? Об этом он рассказал нам в
своей специальной теории относительности (СТО). Должны ли мы думать о химических элементах как о ньютоновских атомах? Эйнштейн доказал нам, что должны. Как мы можем согласовать
теории света с существованием атомов? Эйнштейн сказал нам, как, и в процессе показал, что свет
является как волной, так и частицами. И все это в 1905, во время, выкроенное из его работы в
должности патентного поверенного.
Результаты эйнштейновских прозрений сказались в следующей четверти века. К 1930 мы имели
его общую теорию относительности (ОТО), которая сделала революционное утверждение, что
геометрия пространства не фиксирована, а развивается во времени. Корпускулярно-волновой дуализм, открытый Эйнштейном в 1905, стал полностью реализованной квантовой теорией, которая
дала нам детальное понимание атомов, химии, материи и радиации. К 1930 мы также знали, что
вселенная содержит гигантские количества галактик, подобных нашей собственной, и мы узнали,
что они удаляются прочь друг от друга. Следствия еще не были ясны, но мы узнали, что мы живем в расширяющейся вселенной.
С созданием квантовой теории и ОТО как части нашего понимания мира закончился первый этап
революции в физике двадцатого века. Многие профессора физики, некомфортно чувствовавшие
себя из-за революции в их областях компетентности, успокаивались мыслью, что мы должны бы
вернуться назад к развитию науки нормальным путем, без обращения на каждом повороте к вопросам о наших основополагающих представлениях. Но это успокоение было преждевременным.
Эйнштейн умер в конце следующей четверти века, в 1955. К тому моменту мы узнали, как последовательно объединить квантовую теорию с СТО; это было великое достижение поколения Фримена Дайсона и Ричарда Фейнмана. Мы открыли нейтрон и нейтрино, а также сотни других предположительно элементарных частиц. Мы также поняли, что мириады явлений в природе управ5

ляются всего четырьмя силами: электромагнетизмом, гравитацией, сильными ядерными силами
(которые удерживают как целое атомные ядра) и слабыми ядерными силами (ответственными за
радиоактивный распад).
Следующая четверть века приводит нас к 1980. К этому моменту мы сконструировали теорию,
объясняющую результаты всех наших экспериментов над элементарными частицами и силами на
тот момент, – теорию, названную стандартной моделью физики элементарных частиц. Например,
стандартная модель точно говорила нам, как протоны и нейтроны собираются из кварков, которые
удерживаются вместе глюонами, носителями сильного ядерного взаимодействия. Впервые в истории фундаментальной физики теория совпала с экспериментом. С этого момента не было сделано
ни одного эксперимента, который бы не соответствовал этой модели или ОТО.
Двигаясь от очень малого к очень большому, наше знание физики теперь распространилось к новой науке о космологии, где общепринятым взглядом стала теория Большого Взрыва. Мы осознали, что наша вселенная содержит не только звезды и галактики, но и экзотические объекты, такие
как нейтронные звезды, квазары, сверхновые и черные дыры. К 1980 Стивен Хокинг уже сделал
фантастическое предсказание о том, что черные дыры излучают. Астрономы также получили доказательства, что вселенная содержит много темной материи – что означает, материи в форме, которая не излучает и не отражает свет.
В 1981 космолог Алан Гут предложил сценарий для очень ранней истории вселенной, названный
инфляцией. Грубо говоря, эта теория утверждает, что вселенная в очень ранний момент своей
жизни прошла через рывок гигантского роста, и это объясняет, почему вселенная выглядит почти
совсем одинаково в каждом направлении. Теория инфляции сделала предсказания, которые казались сомнительными до момента десятилетней давности, когда к ней начали поступать доказательства. Как об этом пишут, осталось несколько загадок, но весь объем доказательств поддерживает предсказания инфляции.
Таким образом, к 1981 физики отпраздновали двести лет взрывного роста. Открытие за открытием углубляли наше понимание природы, поскольку в каждом случае теория и эксперимент маршировали рука об руку. Новые идеи проверялись и подтверждались, а новые экспериментальные
открытия объяснялись в терминах теории. Затем в начале 1980х ситуация вынужденно встала.
Я принадлежал к первому поколению физиков, образовавшемуся с момента установления стандартной модели физики частиц. Когда я встречаю старых друзей из колледжа и высшей школы,
мы иногда спрашиваем друг друга: «Что такого мы открыли, чем бы наше поколение могло гордиться?» Если мы имеем в виду новые фундаментальные открытия, установленные экспериментом и объясненные теорией, – открытия на уровне тех, которые только что упоминались, – ответ,
который мы должны признать, таков: «Ничего!» Марк Визе является ведущим теоретиком, работающим в физике частиц за пределами стандартной модели. На недавнем семинаре в Пограничном институте теоретической физики в Ватерлоо, Онтарио, где я работаю, он говорил о проблеме,
откуда взялась масса элементарных частиц. Он сказал: "Мы были необыкновенно безуспешны в
решении этой проблемы. Если я должен был бы рассказать о проблеме массы фермионов сейчас,
я, вероятно, закончил бы рассказ вещами, которые я мог бы иметь в 1980х"[1]. Он рассказал историю о том, как он и Джон Прескилл, другой ведущий теоретик, прибыли в 1983 в Калифорнийский технологический институт, чтобы встретиться со своим факультетом. "Джон Прескилл и я
сидели вместе в его офисе, разговаривали... . Джон сказал: «Ты знаешь, в Калтехе были боги физики, а теперь тут мы! Я стараюсь не забыть, что является важным, чтобы продолжать работать
над ним.» Затем он заговорил о том, что было известно о массах кварков и лептонов, записал это
на страничке желтой бумаги и приколол ее к своей доске для заметок, ... так же, чтобы не забыть
поработать над ним. Через пятнадцать лет я прохожу через его оф