Приведет ли теория струн к переформулировке квантовой механики?
Вселенная подчиняется законам квантовой механика СЃ фантастической точностью. Однако даже СЃ учетом этого, РїСЂРё формулировке теорий Р·Р° последние полвека физики следовали, конструктивно РіРѕРІРѕСЂСЏ, стратегии, РІ которой квантовой механике отводилось несколько второстепенная роль. РџСЂРё разработке теорий физики часто начинают исследование РЅР° чисто классическом языке, РІ котором игнорируются квантовые распределения вероятностей, волновые функции Рё С‚.Рґ., РЅР° языке, который был Р±С‹ понятен физикам времен Максвелла Рё даже времен Ньютона, Рё затем накладывают квантовые концепции РЅР° классические идеи. Рто РїРѕРґС…РѕРґ РЅРµ является чем-то удивительным, так как РѕРЅ РїСЂСЏРјРѕ отражает наше восприятие. РќР° первый взгляд, РїСЂРёСЂРѕРґРѕР№ правят законы, коренящиеся РІ классических представлениях, таких, как частица, имеющая определенное положение Рё определенную скорость РІ любой заданный момент времени. Только после детальных исследований РјРёРєСЂРѕРјРёСЂР° РјС‹ осознали, что должны модифицировать эти знакомые классические идеи. Процесс развития науки прошел эволюцию РѕС‚ классического РїРѕРґС…РѕРґР° РґРѕ РїРѕРґС…РѕРґР°, модифицированного квантовыми результатами, что Рё РїРѕ сей день находит СЃРІРѕРµ отражение РІ том, как физики разрабатывают новые теории.
Рто, естественно, касается Рё теории струн. Математический формализм, описывающий теорию струн, начинается СЃ уравнений, описывающих движение крошечного, бесконечно тонкого РєСѓСЃРєР° классической нити, которые, РІ принципе, РјРѕРі написать еще Ньютон триста лет назад. Затем эти уравнения квантуются. Рными словами, РІ систематическом РїРѕРґС…РѕРґРµ, развитом физиками РІ течение более 50 лет, классические уравнения преобразуются РІ квантово-механические, РєСѓРґР° естественным образом включены вероятности, неопределенность, квантовые флуктуации Рё С‚.Рґ. Фактически, РІ главе 12 РјС‹ видели эту процедуру РІ действии: РІ петлевых процессах (СЃРј. СЂРёСЃ. 12.6) используются квантовые понятия (РІ данном случае, мгновенное квантово-механическое рождение пар виртуальных струн), Р° число петель определяет точность, СЃ которой учтены квантово-механические эффекты.
Стратегия, РІ которой сначала используется классическое теоретическое описание, Р° затем включаются квантово-механические эффекты, РІ течение РјРЅРѕРіРёС… лет являлась РІ высшей степени плодотворной. Р’ частности, именно РѕРЅР° лежит РІ РѕСЃРЅРѕРІРµ стандартной модели физики частиц. Однако РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ Рё, СЃСѓРґСЏ РїРѕ последним результатам, вероятно, что подобный метод слишком консервативен для обращения СЃ теориями такого высокого полета, как теория струн Рё Рњ-теория. Причина состоит РІ том, что коль СЃРєРѕСЂРѕ РјС‹ осознали, что Вселенной управляют квантово-механические принципы, наши теории должны являться квантово-механическими СЃ самого начала. Ранее нам успешно удавалось менять классическую точку зрения РЅР° квантовую, поскольку РјС‹ зондировали Вселенную недостаточно глубоко, чтобы этот грубый РїРѕРґС…РѕРґ нас РїРѕРґРІРѕРґРёР». Однако, учитывая глубину теории струн/Рњ-теории, РјС‹ вполне можем подойти Рє последней черте этой проверенной РЅР° практике стратегии.
Особые основания для этого возникают РїСЂРё пересмотре некоторых результатов второй революции РІ теории суперструн (подытоженных РЅР° СЂРёСЃ. 12.11). Как РјС‹ обсуждали РІ главе 12, дуальности, лежащие РІ РѕСЃРЅРѕРІРµ пяти струнных теорий, РіРѕРІРѕСЂСЏС‚ Рѕ том, что физические процессы, происходящие РІ РѕРґРЅРѕР№ формулировке теории струн, РјРѕРіСѓС‚ быть переформулированы РЅР° языке любой РёР· остальных. РќР° первый взгляд, это перефразированная формулировка имеет мало общего СЃ исходным описанием, РЅРѕ РІ этом Рё состоит сила дуальности: дуальность позволяет описывать РѕРґРёРЅ Рё тот Р¶Рµ физический процесс несколькими совершенно различными способами. Рти результаты нетривиальны Рё удивительны, однако РјС‹ еще РЅРµ упомянули РѕР± РёС… следствии, которое, РІРѕР·РјРѕР¶РЅРѕ, важнее всего.
Процесс в одной из пяти теорий струн, который сильно зависит от квантовых эффектов (например, включающий струнные взаимодействия, которые не могли бы произойти в мире, управляемом классическими, а не квантовыми законами), преобразова-
246ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Часть V. Единая теория РІ XXI веке
РЅРёСЏРјРё дуальности может быть часто сведен Рє процессу, слабо зависящему РѕС‚ квантовых эффектов СЃ точки зрения РґСЂСѓРіРёС… теорий струн (например, Рє процессу, характеристики которого уточняются СЃ учетом квантовых поправок, РЅРѕ качественная форма которого напоминает то, что могло происходить РІ чисто классическом РјРёСЂРµ). Рто означает, что квантовая механика тесно переплетается СЃ симметриями дуальности, лежащими РІ РѕСЃРЅРѕРІРµ теории струн/Рњ-теории: РѕРЅРё являются неотъемлемыми квантово-механическими симметриями, так как РѕРґРЅРѕ РёР· дуальных описаний сильно зависит РѕС‚ квантового рассмотрения. РР· этого СЃ необходимостью следует, что полная формулировка теории струн/Рњ-теории, которая РІ РѕСЃРЅРѕРІРµ своей включает обнаруженные симметрии дуальности, РЅРµ может начинаться СЃ классического рассмотрения, Р° затем подвергаться квантованию, как РІ обычном РїРѕРґС…РѕРґРµ. Если начинать СЃ классической формулировки, то симметрии дуальности неизбежно Р±СѓРґСѓС‚ упущены, так как РѕРЅРё имеют место только РІ случае, если квантовые эффекты принимаются РІРѕ внимание. Вместо этого оказывается, что полная формулировка теории струн/Рњ-теории должна разрушить традиционный РїРѕРґС…РѕРґ Рё дать Р¶РёР·РЅСЊ полновесной квантово-механической теории.
В настоящее время никто не знает, как реализовать такой подход. Однако в качестве следующего крутого поворота в нашем понимании многие теоретики предвидят переформулировку того, как квантовые принципы встраиваются в наше теоретическое описание Вселенной. Например, как сказал Кумрун Вафа: «Я думаю, что переформулировка квантовой механики, которая разрешит многие из ее загадок, уже очень близка. Я думаю, многие разделяют точку зрения, что недавно обнаруженные дуальности указывают на новое, более геометрическое описание квантовой механики, в котором пространство, время и квантовые свойства будут неразрывно связаны друг с другом»5).
Рли, согласно Рдварду Виттену, «я верю, что логический статус квантовой механики СЃРєРѕСЂРѕ изменится, Рё это будет РїРѕС…РѕР¶Рµ РЅР° то, как изменился логический статус гравитации, РєРѕРіРґР° Рйнштейн открыл принцип эквивалентности. Р’ случае квантовой механики такой процесс далек РѕС‚ завершения, однако СЏ думаю, что люди РєРѕРіРґР°-РЅРёР±СѓРґСЊ Р±СѓРґСѓС‚ рассматривать нашу СЌРїРѕС…Сѓ как период начала этой науки»6'.
С разумным оптимизмом можно предположить, что переформулировка принципов квантовой механики в рамках теории струн может привести к более мощному формализму, который позволит понять, как рождалась Вселенная и почему есть такие сущности, как пространство и время — к формализму, который продвинет нас на шаг вперед к ответу на вопрос Лейбница: почему есть «что-то», а не «ничто».