Почему теория струн не является научной теорией

Image credit: flickr user Trailfan, via https://www.flickr.com/photos/7725050@N06/631503428.

Итан Зигель, Forbes

23 декабря 2015 года

Можно написать множество различных определений, что такое наука, но, пожалуй, каждый согласится с тем, что это процесс, в котором

1. приобретается знание о мире вокруг или об отдельном его явлении, 
2. на основании этих знаний выдвигается гипотеза о естественном, физическом объяснении этого явления, 
3. затем эта гипотеза проверяется, и на основании проверок или принимается или отбрасывается, 
4. для объяснения проверенной гипотезы строится всеобъемлющая научная теория, которая также способна делать прогнозы других явлений, 
5. затем она подвергается новым проверкам, для которых подбираются какие-то явления (пункт 3) и или подтверждается или опровергается, и в таком случае предлагается новая гипотеза (пункт 2) и так далее. 

Научный процесс всегда связан с постоянным накоплением данных, постоянным их уточнением и немедленным пересмотром гипотезы, если она выходит за границы теории, а также постоянными проверками теории на правильность.

Осознаем мы это или нет, наука всегда развивалась именно так. Гелиоцентризм вытеснил геоцентризм потому, что объяснял те вещи, которые геоцентризм не мог, например: 

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

Image credit: public domain work by Wikimedia Commons users Nichalp and Sagredo, of the phases (and angular size) of Venus in the heliocentric model.

Ньютоновская гравитация заняла место законов Кеплера из-за своей дополнительной силы, совместившей земную и небесную механику. Даже Эйнштейновские теории относительности - специальная и общая - появились потому, что ньютоновская гравитация не могла учесть случаи скоростей, близких к скорости света и сильных гравитационных полей. Они переместили наблюдения далеко за рамки того, что было доступно во времена Ньютона - например, в измерения жизненных циклов частиц, рожденных при радиоактивном распаде, а также смещение перигелия Меркурия в течение веков. Продолжавшийся сбор данных - в новых режимах, более точных, и на протяжении большего времени - позволил увидеть трещины в научных теориях, а также потенциал их расширения.

И теперь, в настоящем, Общая Теория Относительности Эйнштейна, пройдя все мыслимые проверки, лежавшие на ее пути, по-прежнему остается лидером теорий гравитации - от гравитационных линз до релятивистских смещений орбит двойных пульсаров, а три другие фундаментальные силы - электромагнетизм, сильные и слабые ядерные силы - описываются квантовыми теориями поля. Эти два разных класса теорий фундаментально не совместимы между собой, показывая, что в этой Вселенной есть что-то, чего мы не знаем, даже несмотря на успех Стандартной Модели и необходимость квантовой теории гравитации.

Image credit: NASA, of an artist’s concept of Gravity Probe B orbiting the Earth to measure space-time curvature.

Одной из теорий, которая обещает выход из ситуации, является теория струн, или идея о том, что все, что мы воспринимаем как частица или сила, на самом деле просто возбуждение открытой или закрытой струны, вибрирующей с определенной уникальной частотой.

Может показаться, что придумав название “теория струн” и представив ее как возможное решение научного вопроса, мы уже ответили на вопрос, является ли она научной теорией, утвердительно. Но она является теорией только в математическом смысле этого слова, и это означает, что у нее свой комплект аксиом, постулатов, элементов , а также теорем и их следствий. Подобные теории, групповые или числовые - примеры математических теорий, и теория струн - всего одна из них.

Image credit: Wikimedia Commons user Lunch, of a 2-D projection of a Calabi-Yau manifold, one popular method of compactifying the extra, unwanted dimensions of String Theory.

Но является ли она физической теорией?

Она делает вот такие физические предсказания:

• существование десяти измерений,
• фундаментальные константы определяются “вакуумом" теории струн,
• существование суперсимметричных частиц,
• существует математический эквивалент между теорией квантовой гравитации в, скажем, пятимерном пространстве и теорией поля без гравитации на его границах этого пространства - и поэтому, в четырех измерениях.

Без сомнения, это предсказания о нашей физической Вселенной. Но можно ли их как-то проверить?

Image credit: public domain work by Wikimedia Commons user Rogilbert.

И пока ответ - нет. Первый пункт - нам надо как-то избавиться от 6 измерений, чтобы вернуться во Вселенную, которую мы можем наблюдать, а способов совершить это может быть больше, чем атомов во Вселенной. Что еще хуже, каждый из этих способов дает разное значение “вакуума” теории струн, и совершенно непонятно, как в нем можно получить те значение фундаментальных констант, которые описывают нашу Вселенную - это второй пункт. Третий пункт кажется простым, но нам потребуются энергии в ~10¹⁵ больше, чем может достичь БАК, если мы хотим опровергнуть и отбросить эту теорию. Более того, суперсимметричные частицы - не единственное предсказание теории струн, найти их означает, что теорию струн пока отбросить нельзя, а это неверно. Последний пункт - это математическое, а не физическое предсказание, он ничего не дает для проверки или опровержения в этой Вселенной.

Хотя в этом месяце была целая конференция по этому вопросу, возникшая из-за спорного мнения, высказанного год назад George Ellis and Joe Silk, ответ очень прост: нет, теория струн еще не доросла до полноценной научной теории. Как сообщают Sabine Hossenfelder and Davide Castelvecchi в своем отчете, люди пытаются превратить ее в науку, изменяя само понятие "наука"

Image credit: Gideon Pisanty, of Tulipa agenensis sharonensis (Dinsm.) Feinbrun, Dor-Habonim Beach, Israel, February 26, 2012.

Абсурд! Если я покажу вам тюльпан и скажу “это роза”, вы сможете показать мне все розы мира и сказать - “нет, это не роза, это тюльпан”. Но если я изменю определение того, что такое роза, и включу туда тюльпаны, станут ли они розами? Или я просто сделаю из когда-то хорошего определения нечто значительно менее ценное?

Image credit: public domain, retrieved from https://pixabay.com/en/globe-earth-country-continents-73397/.

Если вы хотите выйти на уровень научной теории, вам следует позаботиться о проверяемых - и, поэтому или верных или неверных - предсказаниях своей теории. Даже физическое состояние, которое возникает как следствие уже установившейся научной теории - например, гипотеза мультивселенных - не является научной теорией пока у нас не будет метода опровергнуть или подтвердить ее, это, пускай даже очень хорошая, но все же гипотеза. Интересно, что теория струн начиналась как гипотеза струн, поскольку было понятно, что эта идея еще не доросла до настоящей научной теории.  (Конечно, в то время еще считалось, что струны - фундаментальные частицы внутри атомных ядер вроде кварков и глюонов)

Image credit: Г.С.Шаров (Тверской Государственный Университет State U.), 2013, http://inspirehep.net/record/1233875.

Она по-прежнему является гипотезой, и, возможно, когда-то она станет научной теорией, интересной с точки зрения физика. Когда наступит такой день, мы с удовольствием пригласим ее в пантеон научных теорий, но пока мы можем только согласиться с тем, что она предлагает некоторые очень интересные объяснения, а то, насколько они имеют отношение к нашей Вселенной, пока еще вопрос, которым наука сегодня не может решить.