Читать книгу "Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия - Митио Каку"

Таким образом, теория струн дает нам простой и элегантный способ устранения бесконечных квантовых поправок. Они исчезают, потому что эта теория предполагает новый тип симметрии, который придает ей математическую мощь и красоту.

Возможно, для художников красота — это нечто неуловимое, что они стремятся запечатлеть в своих работах. Для физика-теоретика красота — это симметрия. Кроме того, красота абсолютно необходима при исследовании истинной природы пространства и времени. К примеру, если я беру снежинку и поворачиваю ее на 60°, снежинка остается прежней. Так калейдоскоп создает красивые узоры — в нем используются зеркала, которые многократно отражают случайный рисунок и заполняют им все 360°. Мы говорим, что снежинка и узор в калейдоскопе обладают радиальной симметрией; это значит, что они остаются собой при повороте на определенный угол.

Скажем, у меня есть уравнение, в котором содержится множество субатомных частиц, и я смешиваю их или заменяю одни на другие. Если уравнение после перераспределения частиц остается прежним, мы говорим, что оно обладает симметрией.

Сила симметрии

Симметрия не просто вопрос эстетики. Это мощный способ избавиться от несовершенства и аномалий в уравнениях. Если вращать снежинку, то можно сразу же заметить любые дефекты, сравнив «повернутый» вариант с первоначальным. Если они не одинаковы, значит, существует проблема, которую необходимо скорректировать.

Точно так же при построении квантового уравнения мы часто обнаруживаем, что теория поражена крохотными аномалиями и расхождениями. Но, если в уравнении есть симметрия, эти дефекты устраняются. Точно так же суперсимметрия заботится о бесконечностях и несовершенствах, часто обнаруживаемых в квантовой теории.

В качестве бонуса оказывается, что суперсимметрия — это крупнейшая симметрия, которую когда-либо обнаруживали в физике. Суперсимметрия может взять все известные субатомные частицы и смешать их или распределить заново, сохранив при этом первоначальное уравнение. Мало того, суперсимметрия настолько мощная штука, что она может взять теорию Эйнштейна, включая гравитон и субатомные частицы Стандартной модели, и повернуть их или поменять местами. Это дает нам приятный и естественный способ объединить теорию гравитации Эйнштейна и субатомные частицы.

Теория струн подобна гигантской космической снежинке, каждый конец которой представляет полный набор Эйнштейновых уравнений и Стандартную модель элементарных частиц. Так что каждый конец снежинки представляет все частицы Вселенной. Когда мы вращаем снежинку, все частицы Вселенной меняются местами друг с другом. Некоторые физики отмечают, что, даже если бы Эйнштейна не было и никто не тратил бы миллиарды долларов на бомбардировку атомов для создания Стандартной модели, всю физику XX в. можно было бы вывести из теории струн.

Важнее всего, что суперсимметрия взаимно нейтрализует квантовые поправки частиц и счастиц, оставляя нам конечную теорию гравитации. Это настоящее чудо теории струн. Это также дает ответ на вопрос, который чаще всего возникает в связи с теорией струн: почему Вселенная существует в 10 измерениях? Почему не в 13 или 20?

Дело в том, что число частиц в теории струн может варьировать в зависимости от размерности пространства-времени. При большем числе измерений частиц тоже больше, поскольку возникает больше способов, которыми они могут колебаться. Пытаясь компенсировать квантовые поправки от частиц при помощи квантовых поправок для счастиц, мы обнаруживаем, что такая компенсация возможна только в 10 измерениях.

Обычно математики создают новые хитроумные структуры, которые физики позже включают в свои теории. К примеру, теория искривленных поверхностей была разработана математиками в XIX в., а в 1915 г. включена Эйнштейном в теорию гравитации. На этот раз, однако, произошло обратное. Теория струн открыла путь к такому количеству новых областей математики, что математики были поражены. Молодым амбициозным математикам, которые обычно с презрением относятся к прикладным аспектам своей дисциплины, приходится осваивать теорию струн, если они хотят работать на переднем крае своей науки.

Хотя теория Эйнштейна допускает существование кротовых нор и путешествий быстрее света, при расчете стабильности этих кротовых нор в присутствии квантовых поправок уже не обойтись без теории струн.

Подведем краткий итог. Квантовые поправки бесконечны, и избавление от этих бесконечностей является одной из фундаментальных задач физики. Теория струн устраняет эти квантовые поправки, потому что в ней присутствуют два типа квантовых поправок, которые в точности компенсируют друг друга. Точным соответствием параметров частиц параметрам счастиц мы обязаны суперсимметрии.

Но, какой бы элегантной и мощной ни была теория струн, одних теоретических выкладок недостаточно — теория должна пройти окончательную экспериментальную проверку.

Критика теории струн

Картина получается правдоподобная и убедительная, тем не менее остаются серьезные претензии, которые можно предъявить к теории струн. Во-первых, поскольку теория струн (как и любая теория всего) объединяет всю физику на уровне планковской энергии, на Земле не существует установки настолько мощной, чтобы строго и достоверно ее проверить. Для такой проверки потребовалось бы создать в лаборатории крохотную новую вселенную, что невозможно при нынешнем уровне технологий.

Во-вторых, как любая физическая теория, теория струн имеет не одно решение. К примеру, уравнения Максвелла, которым подчиняется свет, имеют бесконечное число решений. Это не проблема, потому что в самом начале любого эксперимента мы конкретизируем, что именно изучаем — электрическую лампочку, лазер или телевизор, — и решаем уравнения Максвелла, имея заданные начальные условия. Но если речь идет о теории Вселенной, то каковы могут быть начальные условия? Физики считают, что теория всего должна диктовать собственное начальное состояние, они предпочли бы, чтобы начальные условия Большого взрыва каким-то образом выводились из самой теории. Теория струн, однако, не сообщает нам, какое из множества ее решений является верным для нашей Вселенной. А без начальных условий теория струн включает в себя бесконечное число параллельных вселенных (их совокупность называют мультивселенной), и каждая из них не менее достоверна, чем любая другая. Так что мы получаем ошеломляющее богатство выбора, где теория струн предсказывает не только нашу знакомую Вселенную, но, возможно, и бесконечное число других столь же возможных чужих вселенных.

В-третьих, самое поразительное, наверное, предсказание теории струн состоит в том, что Вселенная вовсе не четырехмерна, а существует в 10 измерениях. Никогда и нигде в физике мы не видели столь странного основания — теория пространства-времени, самостоятельно выбирающая для себя размерность. Это настолько странно, что поначалу многие физики восприняли это как чистую фантастику. Когда теория струн только появилась, ее способность существовать только в 10 измерениях вызывала насмешки. Нобелевский лауреат Роберт Фейнман, к примеру, поддразнивал Джона Шварца, одного из основателей теории струн, вопросом: «Ну что, Джон, в скольких измерениях мы сегодня находимся?»