Теорията на всичко (която не предсказва нищо). Какво се случи с теорията на струните – мъртва ли е или само чака своя час?

Теорията на струните не се е сринала, но е загуби ореола си на непогрешимост.

Физиците обичат простите обяснения. Без значение колко сложни са уравненията, дълбоко в себе си много от тях се надяват, че всички закони на природата един ден ще се съберат в една разбираема картина. Оттук идва и идеята за „теорията на всичко“ – една фундаментална схема, която описва целия ни свят – от кварките до галактиките.

Теорията на струните се очертава като един от тези кандидати. В много грубо приближение тя заменя познатите ни точкови частици с едноизмерни „струни“, от чиито вибрации се раждат всички познати ни частици и сили. Отначало тя е измислена, за да реши друг физичен проблем, но доста бързо теорията привлича вниманието на онези, които се опитват да се сприятелят с квантовата механика и общата теория на относителността – две блестящи, но слабо съвместими основи на съвременната физика.

През 80-те и 90-те години започнаха така наречените „суперструнни революции“: теорията се разрасна в детайли, появиха се нови математически идеи, нарасна надеждата, че тя ще бъде липсващото звено между микрокосмоса и гравитацията. Научният ентусиазъм се пренесе и в популярната култура: през 90-те и 2000-те години бяха публикувани популярни книги и документални филми, а теорията на струните звучеше като основен претендент за ролята на теорията на всичко.

А след това, с настъпването на новия век, вълнението чувствително отслабна. Теорията на струните започна да се появява по-рядко в новините и за нея се говореше по-малко. Ако погледнем статистиката на препратките в книгите, ще видим, че интересът към печатната литература също е намалял през последните десетилетия. Оттук и естественият въпрос: какво се случва с теорията на струните сега? Дали тя тихо не е умряла, или просто се е оттеглила от главната сцена в дълбините на научните статии?

Много физици уверяват: не, теорията на струните съвсем не е мъртва. Едно от основните оплаквания към нея е, че нейните прогнози се отнасят до невероятно малки мащаби, до които сегашните експерименти просто не успяват да достигнат. Теорията все още няма ясно, подлежащо на проверка предвиждане, което да може да бъде потвърдено или опровергано в лабораторни условия. Но това само по себе си все още не е присъда. В историята на науката вече се е случвало чисто математически забавления десетилетия по-късно да се превърнат в необходимия език за описание на реалната физика. Ето защо някои изследователи по принцип не обичат да разделят идеите на „истинско“ и „фалшиво“ научно знание: понякога именно най-странните и абстрактни конструкции в крайна сметка водят до откритие.

Общностите, занимаващи се с теория на струните, все още са активни. Ежегодните конференции привличат стотици участници, а семинари и школи продължават да се провеждат в най-големите университети и институти по света. Много теоретици са убедени, че именно тук се намира пътят към единната картина на света, въпреки че все още има огромно количество работа за вършене. Почти всички те са съгласни с едно: може да мине много дълго време, преди да се стигне до пряко експериментално потвърждение.

Това, между другото, е друг източник на скептицизъм. Теорията на струните има влиятелни критици, които смятат, че като опит за изграждане на фундаментална единна теория тя отдавна е в задънена улица. Един от аргументите: тя се нуждае от десет измерения на пространство-времето, докато ние наблюдаваме само четири. За да хармонизираме теорията с реалността, трябва да „скрием“ допълнителните измерения, като ги сгънем в сложни геометрични структури. Простите варианти на такова „сгъване“ не приличат на нашия свят, а при по-сложните сценарии може да се получи почти всичко. В резултат на това теорията губи прогностичната си сила: ако допуска твърде много варианти, все едно не казва нищо конкретно.

Големият адронен колайдер нанесе допълнителен удар върху нейната репутация. Много струнни модели се основават на суперинверсията – хипотетична симетрия, която предсказва съществуването на „партньори“ на известните частици. Именно тези частици се смятаха за най-реалистичния шанс да се видят следи от теорията на струните в експериментите. Но търсенията с колайдера досега не са разкрили никакви следи от суперинверсия. Критиците смятат, че това е „последният пирон в ковчега“ на теорията на струните като реално описание на нашия свят и че самите идеи за струните са се превърнали в широк математически чадър, под който се крият много красиви, но откъснати от реалността модели.

Съществуват и по-меки, но все пак остри критики. теорията на струните не успя да се справи с предизвикателствата, които обеща да реши във физиката на елементарните частици. Тя не успя да обясни защо Стандартният модел има точно такива стойности на параметрите, защо елементарните частици имат три поколения, защо съществува такъв набор от взаимодействия. След десетилетия работа учените все още не разполагат с единна, прилежно записана версия на теорията на струните с пълния набор уравнения. Тя по-скоро представлява сбор от свързани резултати и модели, отколкото една цялостна теория.

На този фон защитниците на теорията на струните ни напомнят още нещо: досегашните алтернативи изглеждат още по-слаби. Да, теорията на струните има „пейзаж“ от възможни състояния и тя не дава единствения отговор на въпроса как функционира Вселената. Но другите подходи към квантовата гравитация все още не могат да се похвалят нито с подобна математическа дълбочина, нито с подобна връзка с вече известната физика. Важна роля играят така наречените проверки за вътрешната съгласуваност. Например в рамките на теорията на струните беше възможно да се изчисли ентропията на черна дупка при идеализирани условия и да се получи същата формула като тази на Хокинг. Това не е пряк експеримент, а много строга проверка, която не е лесно да се премине.

Освен това теорията на струните е полезна дори като „модел-играчка“. Ако тя е математически затворена конструкция, тя е принудена да дава отговори на въпросите за произхода на Вселената, за сингулярностите, за началото на времето. Тези отговори може и да не описват нашия свят, но ни помагат да разберем кои сценарии са принципно съвместими с квантовата гравитация и кои – не. За някои физици това е доста сериозен научен напредък, макар и без незабавна експериментална проверка.

Съществуват и нови причини за предпазлив оптимизъм. Новите космологични наблюдения, проведени в рамките на големите проекти DESI и DES, подсказват, че стандартният модел на космологията може да се окаже непълен: видимата динамика на Вселената не съответства напълно на предположението, че „тъмният сектор“ не се променя с времето. Според теоретиците някои модели, мотивирани от струните, описват данните по-добре от други. Успоредно с това в Австрия и САЩ се подготвят експерименти с лабораторни съоръжения, които се опитват да уловят следи от така нареченото „тъмно измерение“ – допълнително измерение на пространството, което може да се прояви в много фини ефекти. Очаква се първите резултати да се появят през следващите години.

Всичко това не означава, че теорията на струните е на път да победи. По-скоро става дума за това, че тя най-накрая може да има реален шанс да бъде проверена. Ако експериментите потвърдят предсказанията на теорията на струните, това ще бъде огромен успех. Ако не, това също е важен резултат, който ще помогне да се стесни кръгът на търсене и може би ще подтикне физиците към нови идеи. Много теоретици са откровени: те са готови да приемат всеки резултат, щом станат достъпни надеждни данни.

Днес теорията на струните се намира в странно положение. Тя вече не изглежда като неоспорима пътеводна звезда, както беше през 90-те години на миналия век, но и не се е превърнала в забравена задънена улица. За някои тя е твърде сложна и твърде гъвкава математическа ключалка, която никога не се е срещала с реалността. За други тя е единственият наистина дълбок и последователен език, с който разполагаме, за да говорим за квантовата гравитация и структурата на Вселената. Отговорът на въпроса „какво стана с теорията на струните“ е все още прост: тя продължава да живее, спорейки със себе си и с критиците си, и чакайки момента, в който експериментите най-накрая ще настигнат математиката.