Michio Kaku. The God Equation: The Quest for a Theory of Everything. Doubleday, 2021. Contents
Митио Каку — американский физик японского происхождения и один самых известных популяризаторов теоретической физики. До конца XX века он занимался научными исследованиями, связанными с физикой элементарных частиц, теориями суперсимметрии, суперструн и супергравитации. В 1974 Каку, совместно с Кейджи Киккавой, опубликовал одну из самых важных работ по теории струн, после чего некоторые коллеги даже называли его претендентом на Нобелевскую премию по физике.
«Уравнение Бога» — уже десятая большая популярная книга Каку по теоретической физике. Здесь он уделяет чуть меньше внимания деталям отдельных физических теорий, но больше рассказывает, как шаг за шагом они перерождались одна в другую. В результате ученые пришли к двум современным глобальным физическим теориям, которые вроде бы описывают все, но при этом не стыкуются друг с другом: с одной стороны это квантовая теория и Стандартная модель для электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, с другой — общая теория относительности для взаимодействия гравитационного. Будущая теория квантовой гравитации должна объединить все четыре типа взаимодействий между собой, и главным кандидатом на эту роль Каку считает теорию струн. К ней много вопросов, ее предстоит многократно проверять и доказывать, но на сегодняшний день именно она внушает основной оптимизм.
Как и положено любой научной истории (тем более связанной с вопросом устройства мира), начинается она в Древней Греции. Уже тогда появляются два взгляда на описание всего сущего: если Демокрит предлагал разобрать все на отдельные составляющие частицы и объяснять природные явления через свойства элементов, то Пифагор, наоборот, искал общие законы, которым подчиняются сложные системы, и видел метафору Вселенной в музыке. Каку отмечает, что в этих метафорах можно увидеть стремление к красоте при построении теорий. Красота звездного неба или природы на Земле вызывает у человека мало сомнений, и кажется очевидным, что каким-то образом красота уже заложена в структуру мира. С точки зрения математической теории красота выражается в симметрии — сохранении свойств после того или иного преобразования (в самом наглядном варианте — после отражения). Поэтому именно стремление к красоте и симметрии новых теорий — один из главнейших двигателей науки.
Постепенное движение к универсальной теории возобновляется после перерыва уже в Новое время. Прогресс получается пошаговым: для каждого нового эффекта сначала придумывают свое частное объяснение, потом такие объяснения для близких эффектов сливаются (обычно по парам) в общую теорию для отдельной области науки, после этого соединяются теории для близких друг к другу областей, затем — все более и более далекие, и последней стадией должно стать объединение всего со всем. Интересно, что в свое время каждая промежуточная «универсальная теория» выглядела полностью завершенной и не требующей ни дальнейших обобщений, ни дальнейшего развития. Каждая из этих теорий приводила к технологическим прорывам и промышленным революциям. Но в итоге во всех этих теориях обнаруживали какие-то нестыковки или открывали эффекты, которые в них не совсем вписываются. Тогда становилось понятно, что математические уравнения нужно уточнять, а затем переходить к новому этапу обобщения.
Первой универсальной теорией стала созданная в XVII веке теория Ньютона — законы классической механики, которые были следствием работ Джордано Бруно, Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Именно эта система стала на какое-то время «теорией всего» — она очень точно описывала практически все движения: и те, которые есть на Земле, и те, которые можно наблюдать на звездном небе. Сейчас очевидно, насколько далека теория Ньютона от всеобщности, но уже в ней отчетливо просматривается сила симметрии при построении уравнений (в уравнениях Ньютона это симметрия относительно вращения). Каку отмечает, что, конечно, красота и симметрия не должны быть самоцелью при построении физической теории, но, если вдруг они возникают — это, несомненно, хороший знак.
Своего рода парой к теории Ньютона в конце XIX века стали теория поля и уравнения Максвелла. Теория Максвелла — тоже универсальная теория, но не для механики, а для всех явлений, связанных с электричеством и магнетизмом. Эти уравнения получились в результате обобщения и объединения многочисленных более частных гипотез и законов, но состыковать их с теорией Ньютона не удавалось никак.
В XX веке на смену уравнениям Ньютона и Максвелла пришла другая пара полууниверсальных теорий: квантовая теория как логическое продолжение теории поля и общая теория относительности как логическое продолжение классической механики. Первая теория описывала электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия между элементарными частицами, а вторая — гравитационные силы. Но, во-первых, сами эти теории противоречили друг другу, а во-вторых, в них надо было вписать предыдущие модели и уравнения, оставшиеся из классической физики XIX века. Поэтому весь XX век ученые посвятили постепенному встраиванию всех старых теорий в новые и целенаправленному объединению отдельных ветвей друг с другом. В результате этой интенсивной работы появились теории квантовой электродинамики (она объединяет уравнения для электромагнитного взаимодействия и квантовую физику), квантовой хромодинамики (для описания сильного взаимодействия), затем общая теория электрослабого взаимодействия (объединяющая в общую систему слабое и электромагнитное взаимодействия), а затем и теория Великого объединения (уже для трех типов взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного). Сейчас систему элементарных частиц в этой единой теории описывает Стандартная модель — в модели целый «зоопарк» частиц разного типа с разными параметрами, а взаимодействие между этими частицами считают по теории Янга-Миллса — в результате численного решения очень сложных нелинейных уравнений.
У всей этой универсальной системы, по мнению Каку, есть несколько проблем. Первая проблема — это бросающаяся в глаза сложность, некрасивость и несимметричность всей структуры. Да, у теории есть очевидный практический успех, но настолько явная сложность говорит о том, что, по всей видимости, эта теория не окончательная и поиски нужно продолжать. Во-вторых, в Стандартную модель никак не входят темная энергия и темная материя, а именно они, по современным оценкам, составляют 95 процентов Вселенной. Ну и самая главная проблема — это, конечно, невозможность встроить в эту систему оставшийся четвертый тип взаимодействий, гравитацию. Любые попытки ввести в теорию гравитоны — кванты гравитационного взаимодействия — приводят к возникновению несогласованностей.
«Проблема возникает, когда один гравитон сталкивается с другими гравитонами или с атомами. Решения уравнений для такого столкновения становятся бесконечными. Если попробовать использовать набор приемов, которые были придуманы за последние семьдесят лет, мы обнаружим, что все они не работают. Величайшие ученые века пробовали решить эту проблему, но успеха никто не достиг. Очевидно, нужно использовать принципиально новый подход, ведь все простые идеи уже попробовали и отвергли. Это приводит нас к, возможно, самой противоречивой теории в физике — теории струн, которая может оказаться достаточно сумасшедшей, чтобы стать теорией всего».
Именно здесь мы добираемся до сегодняшнего положения дел. За последние несколько десятков лет принципиальных нововведений сделано не было: уже утвердившиеся теории развивались, но предлагавшиеся новые пока не приняты научным сообществом до конца. Одна из этих новых теорий — собственно теория струн, которую Каку считает главным из существующих претендентов на место будущей теории всего. Тут автор перестает быть независимым рассказчиком: поскольку он сам принимал активное участие в создании теории струн, то и в своей книге он выступает в роли ее адвоката (про других кандидатов на место теории всего, например петлевую квантовую гравитацию, он практически ничего не пишет). И хотя к теории струн физики пока относятся с явным недоверием (в первую очередь потому, что сегодня ее невозможно проверить), в убедительности аргументов ему не отказать.
Одним из таких аргументов становится как раз красота математики: включив в себя все известные типы взаимодействий (в том числе гравитон как колебание с одной из наименьших частот), теория струн снимает вопрос с размерностью пространства, который возникал в других попытках согласования. Измерений должно быть ровно десять — ни больше, ни меньше. При этом красота теории обнаруживается не только в математических уравнениях, но и в автоматически возникающих метафорах, которые возвращают нас к Пифагору: физику в этой системе Каку сравнивает с музыкальной гармонией, химию — с мелодией, живые организмы — со струнным квартетом (по четырем нуклеотидам в молекулах ДНК), Вселенную — с симфоническим оркестром, а Бога — с космической музыкой, резонирующей в гиперпространстве.
Оригинальную теорию струн после создания модифицировали и сделали еще более красивой, заменив струны на двумерные мембраны (так появилась M-теория), а симметрию — на суперсимметрию, которая связывает между собой фермионы (частицы материи) и бозоны (частицы взаимодействия). Для каждой элементарной частицы суперсимметрия создает суперпартнера — счастицу: скварк как суперпартнер кварка и слептон как суперпартнер лептона.
Теория струн, а тем более теория суперструн, — действительно очень красивые и очень симметричные теории, но пока это просто математические конструкции, и у нас нет способа их проверить и подтвердить, так что все это очень близко к спекуляции. Однако, возможно, экспериментального подтверждения и не понадобится, а хватит только теоретического. Например, если с помощью теории струн мы сможем вычислить массу протона — этого будет достаточно. Если с ее помощью мы сможем объяснить и описать темную материю и темную энергию, про которые сейчас непонятно ничего, — этого тоже будет достаточно.
Так или иначе, рассуждения о единой универсальной теории не могут не привести к вопросам о смысле жизни и существовании Бога. К высказыванию Эйнштейна «Бог не играет в кости» обращались большинство физиков-теоретиков XX века, и все находили свои ответы, что же Бог делает на самом деле. К этим же вопросам, разумеется, приходит и Митио Каку — в заголовке книги Бог оказался не случайно. Каку считает, что из пяти доказательств божественного бытия Фомы Аквинского первый — космологический — никакая теория не сможет отвергнуть. Кто-то в любом случае должен приводить все в движение. Даже после того как финальная теория будет построена, вопрос о том, кто и зачем это придумал, никуда не исчезнет. Вряд ли теория всего сделает человека счастливым. Смысл жизни надо заслужить — каждому из нас в отдельности.