Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Дальнейший прогресс в понимании изначальной вселенной, а потому в определении истоков пространства, времени и стрелы времени, требует существенного усовершенствования теоретического инструментария, который мы используем для понимания теории струн, – цель, которая не слишком давно казалась еще очень удаленной. Как мы теперь увидим, с разработкой М-теории прогресс превзошел многие даже самые оптимистические предсказания.

13 Вселенная на бране

Теория струн имеет одну из самых извилистых историй среди всех научных прорывов. Даже сегодня, более чем через три десятилетия после ее первоначального озвучивания большинство струнных профессионалов верит, что мы все еще не имеем полного ответа на элементарный вопрос: Что есть теория струн? Мы знаем много о струнной теории. Мы знаем ее основные особенности, мы знаем ее ключевые достижения, мы знаем перспективы, которые она содержит, и мы знаем сложности, стоящие перед ней; мы также можем использовать уравнения теории струн, чтобы проделать детальные вычисления того, как струны должны вести себя и взаимодействовать в широком диапазоне условий. Но большинство исследователей чувствует, что наша сегодняшняя формулировка теории струн все еще нуждается в некой разновидности центральных принципов, которые мы нашли в основании других главных достижений. СТО имеет постоянство скорости света. ОТО имеет принцип эквивалентности. Квантовая механика имеет принцип неопределенности. Струнные теоретики продолжают нащупывать аналогичный принцип, который мог бы ухватить суть теории в целом.

По большей части этот дефицит существует, поскольку теория струн разрабатывается по кускам вместо того, чтобы появляться из основного всеобъемлющего видения. Цель теории струн – унификация всех сил и всей материи в квантовомеханических рамках – величественнее не бывает, но эволюция теории была, очевидно, фрагментирована. После ее открытия, связанного со счастливым случаем более чем три десятилетия назад, теория струн была на скорую руку собрана воедино, когда одна группа теоретиков открывала ключевые свойства из изучения уравнений теории, в то время как другая группа обнаруживала критические следствия из исследования этих уравнений.

Струнные теоретики могли быть уподоблены примитивным дикарям, раскапывающим скрытый под почвой космический корабль, о который они споткнулись. Через починку на скорую руку и верчение деталей в руках дикарь может отчасти установить аспекты действия космического корабля, и это будет вызывать чувство, что все клавиши и переключатели работают вместе скоординированным и унифицированным образом. Аналогичные чувства преобладают среди струнных теоретиков. Результаты, найденные на протяжении многих лет исследований, подгонялись и сходились. Это насаждало среди исследователей растущую уверенность, что струнная теория замыкается в одну мощную, согласованную схему, – которую еще предстоит раскопать полностью, но которая, в конечном счете, проявит внутренню работу природы с непревзойденной ясностью и полнотой.

С недавних пор ничто не проиллюстрирует это лучше, чем открытие, вызвавшее вторую суперструнную революцию – революцию, которая, помимо других вещей, выявляет другое скрытое измерение, вплетенное в пространственную ткань, открывает новые возможности для экспериментальных проверок теории струн, утверждает, что наша вселенная может быть отделена от других, обнаруживает, что черные дыры могут быть созданы следующим поколением высокоэнергетических ускорителей, и приводит к новой космологической теории, в которой время и его стрела могут крутиться снова и снова подобно элегантной дуге колец Сатурна.

Вторая суперструнная революция

Имеется неудобная деталь относительно теории струн, которую мне пора раскрыть, но которую читатели моей предыдущей книги, Элегантной вселенной, могут вспомнить. В течение последних трех десятилетий были разработаны не одна, а целых пять отдельных версий теории струн. Поскольку их названия несущественны, назовем их теориями типа I, типа IIА, типа IIВ, О-гетеротической и Е-гетеротической. Все они разделяют существенные особенности, введенные в последней главе, – все основные составляющие переплетены с энергией колебаний струн – и, как показали расчеты в 1970е и 1980е годы, каждая теория требует шести дополнительных измерений; но, когда они анализируются детально, появляются существенные отличия. Например, теория типа I включает колеблющиеся струнные петли, обсуждавшиеся в последней главе, так называемые замкнутые струны, но, в отличие от других теорий струн, она также содержит открытые струны, колеблющиеся обрывки струн, которые имеют два свободных конца. Более того, расчеты показывают, что список мод колебаний струн и способ, которым каждая колебательная мода взаимодействует и влияет на другие, отличаются от одной формулировки к другой.

Самые оптимистичные из струнных теоретиков воображали, что эти отличия должны будут служить для удаления четырех из пяти версий, когда однажды детальное сравнение с экспериментальными данными будет проведено. Но, откровенно говоря, простое существование пяти теорий струн было источником внутреннего дискомфорта. Мечта об унификации является одной из тех, которые приводят ученых к единой теории вселенной. Если исследование установит, что только одна теоретическая система может охватить как квантовую механику, так и ОТО, теоретики достигнут унификационной нирваны. Они будут иметь полную уверенность в применимости данной системы даже в отсутствие прямого экспериментального подтверждения. Как-никак изобилие экспериментальной поддержки как квантовой механики, так и ОТО уже существует, и кажется ясным как день, что законы, управляющие вселенной, должны быть взаимно совместимыми. Если отдельная теория является уникальной, математически непротиворечивой аркой, стягивающей два экспериментально подтвержденных столпа физики двадцатого столетия, это будет обеспечивать убедительное, хотя и не прямое подтверждение неизбежности этой теории.

Но тот факт, что имеются пять версий теории струн, внешне сходных, хотя отличающихся в деталях, должно, по-видимому, означать, что теория струн провалила тест на уникальность. Даже если оптимисты однажды оправдаются и только одна из пяти струнных теорий будет подтверждена экспериментально, мы все еще будем раздосадованы ноющим вопросом, почему имеются другие четыре непротиворечивые формулировки. Должны ли четыре другие теории быть просто математическими курьезами? Будут ли они иметь какое-либо значение для физического мира? Может быть, их существование является вершиной теоретического айсберга, на котором хитрые ученые смогут впоследствии показать, что на самом деле имеется пять других версий, или шесть, или семь, или вообще бесконечное количество отдельных математических вариаций на тему струн?

В течение поздних 1980х и начала 1990х для многих физиков, горячо добивавшихся понимания той или иной теории струн, загадка пяти версий не была повседневной проблемой. Напротив, это был один из тех спокойных вопросов, к которому каждый предполагал обратиться в удаленном будущем, когда понимание каждой индивидуальной теории струн станет существенно более утонченным.

Но весной 1995 почти без предупреждения эти скромные надежды были значительно превышены. На основе работ многих струнных теоретиков (включая Криса Халла, Пола Таунсенда, Эшока Сена, Майкла Даффа, Джона Шварца и мноих других) Эдвард Виттен, – который в течение двух десятилетий был самым известным струнным теоретиком мира, – открыл скрытое единство, которое связывало все пять теорий струн вместе. Виттен показал, что вместо того, чтобы быть обособленными, пять теорий на самом деле являются просто пятью различными способами математического анализа одной теории. Почти как переводы книги на пять различных языков могут показаться для моноязычного читателя пятью отдельными текстами, пять струнных формулировок оказывались различными только потому, что Виттен еще не написал словаря для перевода между ними. Но, раз обнаружившись, словарь обеспечил убедительную демонстрацию, что – подобно одному главному тексту, из которого были сделаны пять переводов, – единая главная теория объединяет все пять струнных формулировок. Унифицирующая главная теория была пробно названа М-теория, М является дразнящим обозначением, значение которого – Главная (Master)? Величественная (Majestic)? Материнская? Магическая? Мистическая? Исходная (Matrix)? – ожидает результата энергичного общемирового исследовательского усилия, которое сейчас предпринимается, чтобы завершить новое видение, высвеченное мощным прозрением Виттена.