Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 40)

Но было ли столь же широким поле возможностей на заре горячего Большого взрыва? Определяется ли структура ветвей древа физических законов, изображенного на рис. 35, в первую очередь глубокими математическими симметриями, таящимися в его корнях, или она в основном сформирована историческими случайностями? Это очевидно критический пункт, принципиально важный для космологов – адептов мультивселенной.

Чтобы прочувствовать весь спектр открывающихся здесь возможностей, нам в нашем странствии придется сделать еще один шаг в сторону объединения и включить в рассмотрение гравитацию.

Как я уже упоминал, расширение Великого объединения с целью включить в него гравитацию ставит проблемы совершенно другого масштаба. Начнем с того, что общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах жесткого классического поля – ткани пространства-времени, – в то время как в Стандартной модели и ТВО речь идет о вибрирующих квантовых полях. Следовательно, объединенная теория, видимо, потребует квантового описания гравитации и пространства-времени. Евклидов подход Стивена к квантовой гравитации обеспечивает, по крайней мере приближенно, выполнение именно этого условия, но геометрии мнимого времени, на которых этот подход основан, обладают только некоторыми общими свойствами квантового мира гравитации. Они почти не освещают природу микроскопических квантов, скрывающихся за пространством-временем. И даже более того – оказалось, что применения квантовых полей недостаточно для того, чтобы прийти к полномасштабному квантовому описанию гравитации. Дело в том, что квантовые флюктуации поля пространства-времени неограниченно усиливаются на все более малых масштабах. Микроскопические флюктуации пространства-времени создают самоусиливающийся цикл еще более яростных вибраций, которые разрушают его собственную основную структуру. И в отличие от других полей, которые колеблются на фиксированном фоне пространства и времени, гравитация есть пространство-время. Это и есть главная трудность объединения гравитации с квантовой теорией.

И тут появляется теория струн. В середине 1980-х теоретики нашли восхитительный новый подход к формулировке квантовой теории гравитации: они заменили точечные частицы струнами, которые стали рассматриваться как основные составляющие физической реальности. Центральное положение теории струн заключается в том, что, если бы мы могли препарировать материю на все более малых масштабах, намного меньших, чем самые малые, которых мы можем достичь на крупнейших ускорителях частиц, то мы бы обнаружили глубоко скрытые во всех частицах крохотные вибрирующие нити энергии – их-то физики и назвали струнами.

Струны для теории струн – то же, чем атомы были для древних греков: неделимые и невидимые. Однако, в отличие от греческой концепции атомов, все струны в теории струн одинаковы. Внутри всех видов частиц скрыты струны одного и того же вида. Такая уравниловка, конечно, очень хорошо укладывается в философию объединения. Но тут же встает вопрос, каким образом из струн одного и того же вида могут состоять частицы с совершенно разными свойствами, начиная с массы и спина и кончая зарядом или цветом. Согласно теории струн, ответ заключается в том, что струна может колебаться различными способами. Струнная теория утверждает, что электроны и кварки, и даже силовые частицы, такие как фотоны, возникают из различных колебательных конфигураций струн единого вида. И так же, как различные колебания струны виолончели производят звуки разной высоты, теория струн предполагает, что некая универсальная нитевидная сущность, вибрируя множеством различных способов, производит весь зоопарк различных видов частиц.

Принципиально важным было то, что, согласно идеям основателей теории струн, в одном из своих колебательных режимов струна имеет в точности те свойства, которыми должен обладать квант гравитации – гравитон. Более того, размазывая точки в протяженные изгибающиеся волокна, теория струн избавляется от проблемы неограниченного роста квантовых дрожаний пространства-времени на сверхмалых масштабах. И действительно, как видно из фейнмановской диаграммы на рис. 37, в теории струн таких масштабов просто нет. Диаграмма изображает рассеяние двух гравитационных квантов в рамках теории струн. Мы видим, что невозможно указать точного положения, 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).