Десятимерность и эксперимент
В приливе воодушевления и суматохе, которыми сопровождается рождение любой значительной теории, легко забыть о том, что в конечном счете любая теория должна опираться на фундамент эксперимента. Какой бы элегантной и прекрасной ни казалась теория, если она не согласуется с реальностью, она обречена.
Гёте писал: «Теория, мой друг, суха, но зеленеет жизни древо». История неоднократно подтверждала правильность этого точного замечания. Известно немало примеров ошибочных теорий, которые годами держались на одном только авторитете недалеких, но влиятельных ученых. Порой противостояние власти косных мастодонтов от науки становилось политически рискованным предприятием. Многие из таких теорий удавалось опровергнуть лишь с помощью убедительных экспериментов, наглядно демонстрирующих их некорректность.
Так, благодаря славе и значительному влиянию Германа фон Гельмгольца в Германии XIX в. его теория электромагнетизма пользовалась среди ученых гораздо большей популярностью, чем сравнительно малоизвестная теория Максвелла. Но, несмотря на всю известность Гельмгольца, в конце концов эксперименты подтвердили теорию Максвелла, и теория Гельмгольца была предана забвению. Аналогично, когда Эйнштейн выдвинул теорию относительности, многие влиятельные ученые нацистской Германии, такие как нобелевский лауреат Филипп Ленард, травили Эйнштейна, пока в 1933 г. не выжили его из Берлина. Таким образом, в любой науке, особенно в физике, большую и важную работу выполняют экспериментаторы, не позволяющие теоретикам отклониться от истины.
Виктор Вайскопф, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, однажды охарактеризовал взаимоотношения между теоретической и экспериментальной наукой: существует три типа физиков — «строители машин» (те, кто строит ускорители частиц, благодаря которым возможно проведение экспериментов), экспериментаторы (которые планируют и проводят эксперименты) и теоретики (разрабатывающие теорию с целью объяснения экспериментов). Затем он сравнил работу ученых всех трех типов с плаванием Колумба в Америку.
Строителей машин можно сравнить с капитанами и кораблестроителями, действительно в те времена развивавшими технику. Экспериментаторами были экипажи кораблей, которые плыли на край света, открывали новые острова и просто описывали увиденное. А теоретики — те, кто остались в Мадриде и сказали Колумбу, что ему предстоит высадиться на берегах Индии[161].
Но если законы физики объединяются в десяти измерениях только для энергии, значительно превосходящей всю доступную нашей современной технике и технологии, тогда будущее экспериментальной физики под угрозой. В прошлом каждое новое поколение ускорителей частиц порождало новое поколение теорий. Возможно, этот период подходит к концу.
Несмотря на то что все ждали сюрпризов, после того как в 2000 г. будет введен в действие Сверхпроводящий суперколлайдер, некоторые убеждены, что он просто должен подтвердить правильность современной Стандартной модели. Вероятнее всего, эксперименты, которые окончательно подтвердят или опровергнут правильность десятимерной теории, провести в ближайшем будущем невозможно. Может оказаться, что мы входим в продолжительный период, во время которого исследования десятимерных теорий останутся чисто математическим упражнением. Все теории черпают силу и мощь в экспериментах, которые, подобно плодородной почве, способны взрастить и поддерживать целый луг цветущих растений, как только те пустят корни. Если же почва становится сухой и бесплодной, растения на ней вянут.
Дэвид Гросс, один из авторов теории гетеротической струны, сравнил развитие физики с взаимоотношениями двух альпинистов:
Раньше дело обстояло так, будто мы взбирались на гору и экспериментаторы прокладывали путь. А мы, лентяи-теоретики, тащились позади. Время от времени вниз ради эксперимента сбрасывали камушек, который отскакивал от наших голов. В конце концов нас осеняло, и мы следовали по пути, проложенном экспериментаторами… А теперь, возможно, нам, теоретикам, предстоит встать в авангарде. Нам придется действовать в одиночку. В прошлом мы всегда знали, где находятся экспериментаторы и, следовательно, к чему должны стремиться мы. А теперь мы понятия не имеем, насколько высока гора и где ее вершина.
По традиции экспериментаторы становились первооткрывателями новых территорий, однако следующая эра в развитии физики может оказаться настолько трудной, что теоретики будут вынуждены выступить вперед, как указывает Гросс.
Вероятно, с помощью Сверхпроводящего суперколлайдера будут обнаружены новые частицы — к примеру, бозоны Хиггса, «суперпартнеры» кварков, а может, вскроется новый слой, расположенный под кварками. Однако фундаментальные силы, связывающие друг с другом эти частицы, останутся неизменными, если теория получит подтверждение. Благодаря Сверхпроводящему суперколлайдеру мы можем столкнуться с более сложными полями Янга-Миллса и глюонами, однако эти поля могут представлять собой всего лишь более внушительные группы симметрии, фрагменты еще более крупной симметрии Е (8) x Е (8), соответствующей теории струн.
В некотором смысле истоки напряженности в отношениях между теорией и экспериментом объясняются тем, что эта теория представляет, как отмечал Виттен, «физику XXI в., случайно попавшую в XX в.»[162]. Поскольку естественная диалектика теории и опыта была нарушена неожиданными, случайными открытиями теории в 1968 г., нам, вероятно, придется дождаться XXI в. и появления новых технологий, а также надеяться на новые поколения ускорителей частиц, счетчиков космического излучения, зондов для дальнего космоса. Возможно, это и есть цена, которую нам предстоит заплатить за запретную физику следующего века, которую мы увидели украдкой. Может быть, к тому времени мы косвенно, в процессе экспериментов обнаружим проблески десятого измерения в лабораториях.