Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

в котором взаимодействуют два вибрирующих гравитона. Как будто неразложимые на составляющие струноподобные «строительные кирпичики» снабжают микромир минимальным масштабом длины, ниже которого пространство становится внутренне размытым. Этот дополнительный слой неопределенности играет ключевую роль в том, как теория струн не позволяет микроскопическим вибрациям пространства-времени выйти из-под контроля.

Рис. 36. Согласно струнной теории, микроскопические строительные кирпичики вещества – не частицы, а крохотные вибрирующие нити энергии: струны.

Замечательно, что эта сверхрасплывчатость распространяется даже на форму самого пространства-времени. Конечно, релятивистское пространство-время может быть искривлено и изогнуто, но теория струн идет дальше: она говорит, что геометрия пространства-времени не является единственным образом фиксированной – до такой степени, что даже целые измерения пространства могут появляться или исчезать. Что такое геометрия пространства-времени? – спрашиваем мы в рамках теории относительности. Теория струн отвечает, что это зависит от вашей точки зрения. Согласно теории струн, могут существовать различные формы пространства-времени, которые тем не менее описывают физически эквивалентные ситуации. Такие формы называются дуальными, а математические операции, связывающие различные геометрии, известны как дуальные. Самый известный и самый ошеломляющий дуализм – голографический – будет центральной темой главы 7.

К концу 1980-х струнные теоретики были уверены: взаимодействующие одномерные струны дают математически строгое микроскопическое описание гравитации.

Рис. 37. Теория струн описывает гравитоны, индивидуальные кванты гравитации, как крохотные вибрирующие петли. Эта фейнмановская диаграмма изображает взаимодействие двух таких струн-гравитонов. Мы видим, что процесс их рассеяния размазан в пространстве-времени. Эта размытость помогает управлять маломасштабными квантовыми дрожаниями пространства-времени.

Это стало главным предметом гордости теории. До ее появления гравитация и квантовая теория выглядели фундаментально противоречащими друг другу – как будто книга Природы была написана в двух томах, рассказывавших противоречащие друг другу истории. С открытием теории струн физики-теоретики наконец увидели, как эти два основания физики XX века можно гармонично согласовать друг с другом и заставить работать вместе. Больше того, оба эти основания вырастали из объединяющих рамок теории струн. Приложите правила теории струн к большим и массивным объектам – и теория сведется к эйнштейновскому уравнению общей теории относительности. Примените ее к малому числу не слишком энергично вибрирующих струн – и вы получите из тех же правил обычную теорию квантовых полей.

Однако даже сегодня фундаментальная структура теории струн остается до конца неуловимой. Если бы вы стали спрашивать у теоретиков, что такое теория струн, вы, скорее всего, получили бы множество совершенно разных ответов. При отсутствии прямого экспериментального доступа к сверхвысоким энергиям, при которых проявилась бы струноподобная природа материи и гравитации, струнным теоретикам, чтобы продвинуться в теории, в основном приходится восполнять недостаток экспериментальных данных мудрым советом Дирака «искать интересную и красивую математику». Но надо сказать, что, в общем и целом, такое положение вещей струнных теоретиков не очень-то беспокоит. Их сообщество за много лет выработало свою собственную хитроумную систему сдержек и противовесов, которая позволяет им оценивать успех в основном по критериям математической непротиворечивости построений и вытекающей из нее глубины теоретического понимания. И такой подход привел к удивительной научной новизне. К настоящему моменту поле теории струн распространилось далеко за пределы исходных целей: объединения гравитации с квантовой механикой. Появилась целая сеть связей между теорией струн и самыми разнообразными разделами физики и математики – от сверхпроводимости до квантовой теории информации и, о чем я расскажу в главе 7, до квантовой космологии.

Однако в отличие от уравнения Эйнштейна в общей теории относительности или уравнений Шрёдингера и Дирака в квантовой теории единого и общепринятого основного уравнения, воплощающего суть теории струн, пока найти не удалось. И больше того, замечательная объединяющая сила теории струн досталась дорогой ценой, и эта цена оказалась нетривиальной. Чтобы математический аппарат теории струн мог заработать, струны должны двигаться в пространстве девяти измерений (modulo ambiguitatis). Другими словами, чтобы теория струн была математически согласованной, ее правила требуют наличия шести дополнительных пространственных измерений, кроме привычных трех: длины, ширины и высоты[140].

Вы, может быть, спросите – почему появление дополнительных измерений не привело к немедленному отказу от этой теории как реалистичного описания нашего мира? Ведь мы бы наверняка должны были заметить, что у пространства есть еще другие измерения? Однако это не обязательно так – что, если эти шесть добавочных измерений исключительно малы и скручены в тугой узел в каждой точке, а не простираются на космические расстояния, как три нам знакомых? Тогда догадаться об их существовании было бы очень нелегко – все равно что издалека смотреть на соломинку в коктейле. Соломинка выглядит одномерной, но мы знаем, что у нее есть второе скрученное в круглую трубочку измерение, которое мы увидим, только если будем, держа ее в руке, потягивать через нее коктейль. Подобным же образом, если в теории струн размер шестимерного комочка дополнительных измерений намного меньше масштаба длины, который проявляется при высокоэнергетических экспериментах на БАК или на других установках, то неудивительно, что существование этих измерений могло до сих пор скрываться от нашего внимания. Шестимерный пространственный комочек, спрятанный в каждой точке пространства, и выглядел бы просто, как эта точка (см. рис. 38).

Но именно потому, что струны так малы, они действительно способны проникать в скрытый шестимерный мир. И как форма виолончели определяет сочетание колебательных конфигураций, от которых зависит ее уникальный тембр, так в теории струн геометрия шестимерного комочка определяет, какие виды частиц и сил будут вызваны к жизни вибрациями этих струн.

Рис. 38. Согласно теории струн, если бы мы могли в огромное количество раз увеличить ткань пространства, мы обнаружили бы в каждой точке с тремя знакомыми пространственными измерениями крохотные дополнительные измерения. Больше того, форма этого комочка добавочных измерений, таящихся в каждой точке, оказывает воздействие на существующий в трех «больших» измерениях конгломерат сил и частиц.

С точки зрения теории струн наш видимый трехмерный мир – теневое отражение гораздо более сложной и еще более многомерной реальности, которую мы воспринимаем лишь косвенно.

Складывается такая картина: природа материи и форма физических законов, действующих в трех «больших» измерениях, доступных нашему опыту – силовые константы, число и виды частиц как обычной, так и темной материи, их массы, электрические заряды и так далее, и даже количество темной энергии, – все зависит от способа, которым скручены шесть малых измерений, таящихся в каждой точке.

Какой же принцип выбора формы крохотного пространственного комочка соответствует наблюдаемому нами дружественному к жизни макромиру? Это и есть загадка устройства таинственного математического пейзажа, который открывает перед нами теория струн.

Отцы-основатели теории струн возлагали большие надежды на то, что могучий математический принцип, лежащий в сердце теории, поможет выделить ту самую единственную форму дополнительных измерений. Казалось, вооруженные теорией струн,