Теорія струн: наука чи філософія?

Теорія струн — одна з найамбітніших спроб об’єднати квантову механіку та загальну теорію відносності в єдину теорію всього. Незважаючи на десятиліття досліджень, досі виникають палкі дискусії: чи справді теорія струн є повноцінною науковою концепцією, чи вона ближче до філософських спекуляцій? У цьому лонгріді ми розглянемо історію теорії струн, основні ідеї, ключові постаті, а також критичні аргументи, які ставлять під сумнів її статус як наукової теорії.

Походження теорії струн

Перші ідеї, що поклали початок теорії струн, з’явилися наприкінці 1960-х років.

У 1968 році італійський фізик Габріеле Венеціано (нар. 1942) запропонував математичну формулу (згодом відому як модель Венеціано), яка описувала взаємодію сильних ядерних сил. Фізики швидко помітили, що формула наводить на думку про існування об’єктів, схожих на маленькі “ниточки” або струни, які можуть вібрувати з різними частотами.

Подальшого розвитку ці ідеї набули у 1970-х роках, коли дослідники припустили, що всі елементарні частинки — це різні стани коливань одних і тих самих фундаментальних струн. Цю гіпотезу активно розвивали: Леонард Сасскінд (нар. 1940), якого часто називають “батьком” теорії струн, Джон Шварц (нар. 1941) та Майкл Грін (нар. 1946), які продемонстрували математичну несуперечливість суперсиметричної версії теорії струн у 1984 році.

Саме з цього моменту зацікавлення наукової спільноти до теорії струн різко зросло, оскільки теорія поєднувала у собі величезний потенціал для об’єднання фізичних сил (крім гравітації, теорія описує також електромагнітну, сильну та слабку взаємодії).

Основні положення теорії струн

1. Струни замість точок

Згідно з теорією струн, фундаментальні складові Всесвіту — це не точкові частинки, а одновимірні “струни”. Вібруючи з різною частотою, такі струни проявляються у вигляді різних частинок (електрон, кварк, фотон тощо).

2. Додаткові виміри

Теорія струн вимагає існування багатовимірного простору: зазвичай від 10 до 11 вимірів (для М-теорії, яку пов’язують з іменем Едварда Віттена (нар. 1951)). Більшість цих вимірів, імовірно, згорнуті у надзвичайно малі розміри (так звані компактні виміри).

3. Суперсиметрія

Багато варіацій теорії струн передбачають існування суперсиметрії — ідеї про те, що кожна відома частинка має свого “партнера” з іншими квантовими числами. Це допомагає уникнути низки математичних суперечностей і потенційно пояснює темну матерію.

4. Об’єднання сил

Найбільш привабливою рисою теорії струн є її здатність претендувати на “теорію всього”, оскільки вона може описувати усі основні фізичні взаємодії в єдиній математичній структурі.

Чи можна перевірити теорію струн експериментально?

Одне з головних питань у фізичній спільноті: як експериментально перевірити теорію струн, коли передбачення вимагають енергій набагато вищих за ті, які ми можемо отримати у сучасних колайдерах (зокрема, у Великому адронному колайдері)?

• Деякі науковці сподіваються на непрямі свідчення через вивчення космічного мікрохвильового фонового випромінювання (CMB) або особливостей інфляційної моделі Всесвіту (за роботами, описаними у статті Brandenberger, R. (1985). “Quantum field theory methods and inflationary universe models”).

• Інші вважають, що наявність суперсиметричних партнерів частинок (суперпартнерів) можна було б відстежити на прискорювачах наступних поколінь, якщо вони будуть побудовані.

Однак поки що жодних переконливих експериментальних підтверджень існування суперпартнерів чи додаткових вимірів так і не було знайдено.

Критика теорії струн

Теорія струн вже понад сорок років залишається однією з найбільш обговорюваних концепцій у сучасній фізиці. Вона прагне об’єднати квантову механіку та загальну теорію відносності у єдину структуру, пояснивши всі фундаментальні взаємодії через вібрації надзвичайно дрібних «струн». Однак, поряд із великими сподіваннями, що ця теорія дасть відповідь на найглибші питання про природу реальності, існує й чимало критики. Нижче розглянемо основні застереження до теорії струн.

Відсутність прямих перевірних експериментів

Одна з найпоширеніших претензій до теорії струн полягає у її проблемній перевірності.

• Фізик Лі Смолін (нар. 1955) у своїй книзі “The Trouble with Physics” (2006) наголошує на браку спростовних передбачень.

• Суть у тому, що передбачення, які робить ця теорія, часто не можуть бути перевірені за допомогою сучасних прискорювачів частинок (зокрема, Великий адронний колайдер).

• Для експериментальної перевірки потрібні енергії, що набагато перевищують можливості сучасної техніки, а це робить теорію струн надто віддаленою від емпіричного тесту.

У науковій методології можливість спростування є критичною для відділення наукових ідей від ненаукових. Якщо теорія не пропонує конкретних перевірних передбачень, то її статус “наукової” викликає сумніви, оскільки неможливо однозначно довести чи спростувати її положення.

Велика кількість можливих вакуумів

Велика кількість різноманітних рішень, що передбачаються теорією струн, отримала назву «ландшафт вакуумів». Цей підхід відкриває цілісну картину можливих «версій» Всесвіту, де фізичні константи можуть набувати найрізноманітніших значень. Проблема полягає в тому, що кожен із цих «вакуумів» може пояснювати окремі аспекти реальності, через що виникає враження, ніби теорія струн може бути застосована до будь-якого результату. Інакше кажучи, якщо кожен спостережуваний факт рано чи пізно можна узгодити з одним із нескінченних розв’язків, то прогностична сила теорії починає викликати сумніви. Саме тому чимало вчених застерігають, що надмірна універсальність загрожує перетворити її на малопридатний інструмент для строгих наукових перевірок.

Теорія струн: філософський аспект

Філософський аспект проблеми зумовлений тим, що теорія струн обіцяє відповіді на надзвичайно фундаментальні питання, які виходять за межі суто фізичних обговорень. Коли мова заходить про природу простору-часу, появу та сутність усіх фундаментальних частинок або навіть багатовимірність нашого Всесвіту, легко помітити, як концепція струн наближається до роздумів метафізичного рівня. Поки що немає експериментального апарату, здатного однозначно підтвердити чи спростувати ідеї про додаткові виміри чи про існування струн як найменших цеглинок реальності. Тож виникає запитання: чи не є теорія струн частково філософською концепцією, покликаною пояснити все, але так і не перевіреною згідно з класичними канонами наукового методу?

Чому теорія струн залишається привабливою?

І все ж, попри всю критику, залишається зрозумілим, чому теорія струн так приваблює численних фізиків. По-перше, вона пропонує елегантне й математично витончене об’єднання квантової механіки та загальної теорії відносності, двох стовпів сучасної фізики, які поки що не поєднані в жодній іншій теорії. По-друге, навіть якщо зараз неможливо безпосередньо підтвердити струнні концепції експериментально, зусилля й математичні методи, розроблені в процесі цих досліджень, сприяють прогресу в інших галузях: від квантової гравітації до розуміння природи чорних дір. Фізик Браян Ґрін (нар. 1963) у книзі “The Elegant Universe” (1999) наголошує, що незалежно від кінцевої долі самої теорії струн, вона вже стимулює вчених ставити нові запитання і досліджувати глибші пласти математичної фізики. Зрештою, пошук «теорії всього» завжди був в авангарді наукової думки, а потенційна обіцянка знайти єдину базову формулу реальності — це щось, що не може не викликати ентузіазму.

Таким чином, майбутнє теорії струн залежить від того, наскільки вченим вдасться наблизитися до реальних спостережень, якими можна було б зважено перевірити основні постулати. Скептики ж нагадують, що якби теорія не мала конкретних спростовних передбачень, вона б більше нагадувала філософську схему, ніж емпіричну науку. Прихильники теорії, зі свого боку, переконані, що в майбутньому, завдяки новим технологіям та революційним ідеям, з’являться такі способи тестування струнних ідей, про які ми навіть не здогадуємося нині. Саме тому дискусії щодо теорії струн не вщухають, адже вона, попри суперечки, залишається одним із головних претендентів на «універсальний опис» будови нашого Всесвіту.

Висновок

Теорія струн — це спроба знайти універсальну мову, якою написано наш Всесвіт. Незважаючи на складнощі в експериментальній перевірці, вона залишається однією з найцікавіших та наймасштабніших ідей у сучасній науці. Для одних вона є надією на “теорію всього”, для інших — радше філософською конструкцією, що постулює занадто багато і не дає прямих емпіричних доказів.

Чи стане теорія струн повноцінною фізичною теорією, чи залишиться в царині філософських роздумів, покаже лише час і подальші наукові відкриття.

Джерела:

1. Veneziano, G. (1968). “Construction of a crossing-symmetric, Regge-behaved amplitude for linearly rising Regge trajectories”. Il Nuovo Cimento A.

2. Green, M. B., Schwarz, J. H., & Witten, E. (1987). Superstring Theory. Cambridge University Press.

3. Susskind, L. (1970). “Dual-symmetric theory of hadrons (I)”. Nuovo Cimento A.

4. Smolin, L. (2006). The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next.

5. Brandenberger, R. (1985). “Quantum field theory methods and inflationary universe models”. Reviews of Modern Physics.

6. Greene, B. (1999). The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory.