Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

В значительной степени эта нехватка центрального принципа вызвана тем, что теория струн разрабатывалась «по кусочкам», а не исходя из некоего глобального ви́дения. Цель теории струн — объединение всех типов взаимодействий и всех типов материи в рамках единого квантово-механического формализма — величественна ровно настолько, насколько это есть, но развитие самой теории является явно фрагментированным. После своего счастливого открытия более чем три десятилетия назад теория струн постепенно выстраивалась, по мере того как одна группа теоретиков достигала успеха, изучая одни уравнения, а достижения другой группы строились на других уравнениях.

Учёных, занимающихся теорией струн, можно уподобить первобытному племени, раскапывающему зарытый в землю космический корабль, на который они случайно наткнулись. Копаясь вокруг корабля, племя постепенно устанавливает различные принципы работы космического корабля, и это подпитывает ощущение, что все кнопки и рычажки корабля должны работать каким-то скоординированным и единым образом. Аналогичное ощущение превалирует среди струнных теоретиков. Результаты, полученные в ходе многих лет исследований, сближают друг с другом разные «куски» теории струн. Это вселяет растущую уверенность в то, что теория струн замкнётся в единую мощную и связную конструкцию, которая ещё должна быть полностью раскрыта, но которая в конечном счёте обнаружит внутреннюю структуру природы с непревзойдённой ясностью и полнотой.

За последнее время ничто не иллюстрирует это лучше, чем догадка, вызвавшая вторую суперструнную революцию — революцию, которая, среди прочего, вскрыла ещё одно пространственное измерение, вплетённое в ткань космоса, открыла новые возможности для экспериментальной проверки теории струн, привела к предположению, что наша Вселенная может неожиданно сталкиваться с другими Вселенными, показала, что чёрные дыры могут быть рождены уже на следующем поколении ускорителей элементарных частиц, а также привела к новой космологической теории, в которой время и его стрела, подобно грациозным кольцам Сатурна, могут вновь и вновь ходить по кругу.

Вторая суперструнная революция

В теории струн есть одна необычная деталь, которую я до сих пор утаивал, но которую могут вспомнить читатели моей предыдущей книги «Элегантная Вселенная». Дело в том, что за последние три десятилетия была разработана не одна, а пять различных версий теории струн. Приведу их названия, хотя они не очень важны: теория струн типа I, теория струн типа IIA, теория струн типа IIB, теория O-гетеротических струн и теория E-гетеротических струн. Все эти теории базируются на одних и тех же положениях, сформулированных в прошлой главе (элементарными составляющими являются нити вибрирующей энергии), и, как показали расчёты, проведённые в 1970-х и 1980-х гг., в каждой теории требуется шесть дополнительных пространственных измерений; однако при ближайшем рассмотрении обнаруживаются значительные различия между этими теориями. Например, теория струн типа I включает в себя колеблющиеся струнные петли, так называемые замкнутые струны, которые мы обсуждали в прошлой главе, но, в отличие от других версий теории струн, содержит также открытые струны — колеблющиеся отрезки струн с двумя свободными концами. Более того, расчёты показывают, что набор колебательных мод струн и способ их взаимодействия с другими модами отличаются друг от друга в различных формулировках теории струн.

Самые оптимистические струнные теоретики надеялись на то, что эти различия приведут к исключению четырёх из пяти формулировок, когда дело дойдёт до сравнения теорий с экспериментальными данными. Но, откровенно говоря, сам факт существования пяти различных версий теории струн служил источником с трудом скрываемого дискомфорта. Ведь учёные мечтают о унификации, которая привела бы к единой теории Вселенной. Если бы было установлено, что только одна теоретическая конструкция может охватить как квантовую механику, так и общую теорию относительности, то теоретики достигли бы своей нирваны в этом объединении. Это послужило бы серьёзным основанием для веры в справедливость теории даже при отсутствии прямого экспериментального подтверждения. В конце концов, имеется изобилие экспериментальных данных, подтверждающих как квантовую механику, так и общую теорию относительности, и ясно как день, что законы, управляющие Вселенной, должны быть взаимно совместимы. Поэтому, если какая-то теория оказалась бы единственной математически состоятельной связкой, соединяющей два экспериментально подтверждённых столпа физики XX в., это дало бы мощное, хотя и косвенное, доказательство неизбежности этой теории.

Но из факта существования пяти различных версий теории струн, внешне похожих, но отличающихся в деталях, может показаться, что теория струн не проходит тест на единственность. Даже если однажды будут оправданы ожидания оптимистов, и только одна из пяти теорий струн будет подтверждена экспериментально, нас всё ещё будет мучить надоедливый вопрос: к чему четыре другие состоятельные формулировки? Будет ли это означать, что остальные четыре формулировки являются попросту математическими курьёзами? Имеют ли они какое-либо отношение к физическому миру? Не указывает ли их существование на верхушку теоретического айсберга, в котором учёные впоследствии найдут ещё пять-шесть-семь других или даже бесконечное число различных математических вариаций на тему струн?

В конце 1980-х — начале 1990-х гг. многие физики активно разрабатывали ту или иную версию теории струн, а загадка пяти версий, как правило, не была той проблемой, которой занимались ежедневно. Она была тем мучительным вопросом, решение которого постоянно откладывалось на неопределённое будущее, когда существенно улучшится понимание каждой отдельной струнной теории.

Но весной 1995 г., без всякого предупреждения, эти скромные надежды были с лихвой вознаграждены. Опираясь на работы ряда физиков (включая Криса Халла, Пола Таунсенда, Ашока Сена, Майкла Даффа, Джона Шварца и многих других), Эдвард Виттен, в течение двух десятилетий являвшийся самым знаменитым струнным теоретиком, выявил скрытое единство, связывающее все пять версий теории струн. Виттен показал, что эти пять версий представляют собой не пять различных теорий, а всего лишь пять различных математических подходов к анализу одной и той же теории. Подобно тому как переводы книги на пять различных языков могут показаться несведущему в языках читателю пятью различными текстами, так и пять формулировок теории струн выглядели разными лишь из-за того, что до Виттена не было «словаря» для надлежащего перевода формулировок друг в друга. Но открытый Виттеном словарь убедительно показал, что, подобно единому тексту, с которого сделано пять различных переводов, все пять формулировок теории струн связывает единая теория. Объединяющая главная теория получила рабочее название M-теории, где буква «M» провоцирует различную расшифровку: Мистическая? Материнская? Матричная? Мембранная? Эта теория подстёгивает интенсивные усилия исследователей всего мира в поиске создания нового образа, высвеченного мощным озарением Виттена.

Это революционное открытие явилось большим шагом вперёд. Как Виттен показал в одной из самых выдающихся работ в этой области (и в следующей важной работе вместе с Петром Хоравой), теория струн является единой теорией. Теоретики, работающие в области теории струн, избавились от смущения при представлении своей теории в качестве кандидата на роль единой теории, искомой ещё Эйнштейном; ведь теперь никто не мог указать на отсутствие единства из-за того, что сама теория имеет пять различных версий. Метаобъединение самой теории струн, претендующей на роль единой теории, пришлось очень кстати. Благодаря работе Виттена идея объединения, включённая в каждую отдельную теорию струн, была распространена на всю концепцию струн.

На рис. 13.1 схематически представлен статус пяти теорий струн до открытия Виттена и после него; этот образ всегда полезно иметь в виду. Он иллюстрирует тот факт, что M-теория сама по себе не является новым подходом, но, «разгоняя облака», она обещает дать более тонкую и полную формулировку физических законов, чем позволяет дать любая из пяти версий теории струн. M-теория соединяет и охватывает все пять теорий струн, показывая, что каждая из них является частью более великого теоретического синтеза.

Рис. 13.1. (а) Схематическое представление пяти теорий струн до 1995 г. (б) Схематическое представление метаобъединения, вскрытого M-теорией. 1 — O-гетеротические; 2 — Тип I; 3 — Тип IIB; 4 — Тип IIA; 5 — E-гетеротические; 6 — M-теория