[Перевод] Почему теория струн не является научной теорией

Учёные работают над ней, она согласовывается с наукой, и выражаются надежды, что она может стать величайшим научным прорывом. Но в ней не хватает ключевого ингредиента.

Сейчас у струнных теоретиков нет объяснения тому, почему существует три больших пространственных измерения и время, а остальные измерения микроскопические. Предположения на этот счёт делаются самые разные.
— Эдвард Уиттен

Существует много способов определения науки, но один из тех, с которым могут согласиться, пожалуй, все – описывает науку, как процесс, в результате которого:
собираются знания по поводу естественных процессов или конкретного явления;
выдвигается проверяемая гипотеза, содержащая естественное, физическое объяснение этого явления;
эта гипотеза проверяется и либо подтверждается, либо опровергается;
строится более общий каркас, или научная теория, описывающая гипотезу и делающая предсказания других явлений;
она в свою очередь также проверяется и либо подтверждается, в случае чего начинаются поиски новых явлений, которые можно проверить (обратно на 3-й шаг), или опровергается, в случае чего выдвигается новая проверяемая гипотеза (обратно на 2-й шаг).

И так далее. Этот научный процесс всегда включает постоянный сбор новых данных, уточнение или замену гипотез, когда процесс выходит за сферу действия гипотезы, и проверку теории с целью её подтверждения или опровержения.

Именно так всегда продвигалась наука, признаём мы это или нет. Гелиоцентризм пришёл на смену геоцентризму, потому что он объяснял явления, которые не мог объяснить геоцентризм, включая:

• луны Юпитера;
• фазы и относительные размеры Венеры и Марса в разное время года;
• периодичность кометных орбит.

Ньютоновская гравитация пришла на смену законам Кеплера из-за её возможности делать предсказания, комбинируя наземную и небесную механику. Даже теория относительности Эйнштейна, общая и специальная, появилась в ответ на невозможность ньютоновской механики объяснить поведение на скоростях, близких к скорости света, а также в сильных гравитационных полях. Для этого потребовалось провести наблюдения, невозможные во времена Ньютона, например, измерить время жизни частиц, появляющихся при радиоактивном распаде и орбиту Меркурия вокруг Солнца на протяжении веков. Продолжающийся сбор данных – в новых условиях, с увеличенной точностью и на более долгих промежутках – позволил нам увидеть недостатки в ярких, но обладавших короткой жизнью научных теориях, а также разглядеть потенциал расширения за их пределы.

Перенесёмся в сегодняшний день. ОТО Эйнштейна пока остаётся лидирующей теорией гравитации, она прошла все эксперименты и наблюдения, которым подвергалась, от гравитационного линзирования до увлечения инерциальных систем отсчёта и уменьшения орбит двойных пульсаров, а три оставшихся фундаментальных взаимодействия – электромагнетизм, слабое и сильное – описываются квантовыми теориями поля. Эти два класса теорий несовместимы и не полны, что показывает, что во Вселенной есть много такого, чего мы не понимаем, несмотря на успех Стандартной модели и необходимость в квантовой теории гравитации.

Один вариант решения этой загадки – теория струн, идея, состоящая в том, что всё, что мы воспринимаем как частицы или взаимодействия, является лишь проявлением открытых или закрытых струн, вибрирующих на определённых уникальных частотах.

Может показаться, что раз мы называем идею теорией струн и предлагаем её как возможное решение научной проблемы, мы уже утвердительно ответили на вопрос: да, теория струн является научной. Но её можно назвать теорией только в математическом смысле, что у неё есть свой набор аксиом, постулатов, элементов, теорем и выводов, которые можно из этого сделать. Теория множеств, теория групп и теория чисел – это примеры математических теорий, и теория струн – ещё один схожий пример.

Но физическая ли это теория?

Она делает физические предсказания, например:

• о существовании десяти измерений;
• о предопределённости фундаментальных констант «вакуумом»;
• о существовании суперсимметричных частиц;
• о существовании математической эквивалентности между теорией квантовой гравитации в, допустим, пятимерном пространстве и теорией поля без гравитации на границе этого пространства (четырёхмерной).

Это, безусловно, предсказания о физике Вселенной. Но можно ли их проверить?

Пока что ответ — нет. Первая проблема крайне серьезна: нужно избавиться от шести измерений, чтобы прийти к воспринимаемой Вселенной, а это можно сделать таким количеством способов, что их число больше, чем атомов во Вселенной. Ещё хуже, что каждый из них даёт свой вариант «вакуума» в теории струн, без понятного способа получения фундаментальных констант, описывающих нашу Вселенную – а это уже второе предсказание.

Третье пока не подтвердилось, но нам потребуются энергии в ~10¹⁵ раз большие, чем выдаёт БАК, чтобы полностью исключить теорию струн и опровергнуть её. Кроме того, суперсимметричные частицы – это не уникальное предсказание струнной теории. Их обнаружение будет означать лишь, что струнная теория не исключается, а не то, что она правильная. А последнее предсказание – математическое, а не физическое. Оно не даёт нам возможности что-то пронаблюдать или протестировать.

И хотя недавно по ней проводилась целая конференция, толчком к которой послужила спорная работа, написанная в прошлом году Джорджом Эллисом и Джо Силком, ответ ясен: нет, струнная теория не является научной. Люди пытаются превратить её в науку – как сказали Сабрина Хоссенфелдер и Дэвид Кастелвеччи [Sabine Hossenfelder and Davide Castelvecchi] – меняя определение науки.

Вот так чушь! Если я покажу вам тюльпан и скажу: «это роза», вы можете показать мне все розы в мире и сказать, «нет, вот это розы, а у тебя – тюльпан». А если я поменяю определение розы, чтобы оно включало тюльпаны, станет ли он из-за этого розой? Или я просто превращу полезное определение и разделение в менее полезное?

Чтобы подняться до уровня научной теории, вам нужно сделать проверяемое – а следовательно, опровергаемое – предсказание. Даже физическое состояние, появляющееся вследствие устоявшейся теории, такое, как множественные вселенные, не будет научной теорией, пока мы не найдём способ его подтвердить или опровергнуть; это только гипотеза, даже если это хорошая гипотеза. Интересно, что когда струнную теорию предложили впервые, она называлась струнной гипотезой, поскольку все понимали, что она ещё не поднялась до уровня взрослой теории. (Конечно, в то время она постулировала, что струны были фундаментальными сущностями внутри ядер атомов вместо кварков и глюонов).

И это всё ещё физическая гипотеза, и возможно, когда-нибудь она станет физически интересной научной теорией. В этот день мы все с гордостью поприветствуем струнную теорию, входящую в сообщество научных. До тех пор согласимся, что струнная теория интересна, благодаря содержащимся в ней возможностям. Имеют ли значение и смысл эти возможности для нашей Вселенной – на этот вопрос сегодняшняя наука ответить не может.