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

Это революционное открытие было радующим скачком вперед. Теория струн, как продемонстрировал Виттен в одной из самых удачных статей на эту тему (и в важной последующей работе с Петром Хоравой), является единой теорией. Струнным теоретикам больше не надо было при квалификации их кандидата на единую теорию Эйнштейна подыскивать слова, чтобы добавить с легким оттенком смущения, что предлагаемая унифицирующая схема не имеет единственности, поскольку она выступает в пяти различных версиях. Напротив, как оказалось, самые далеко идущие предложения для объединенной теории сами являются субъектом унификации более высокого уровня. Через работу Виттена единственность, воплощенная каждой индивидуальной теорией струн, была распространена на всю струнную схему.

Рис. 13.1 в общих чертах описывает статус пяти струнных теорий перед и после открытия Виттена и представляет хороший обобщенный образ, чтобы держать его в памяти. Он иллюстрирует, что М-теория сама по себе не является новым приближением, но что, разгоняя облака, она обещает более уточненную и полную формулировку физических законов, чем любая из индивидуальных теорий струн в состоянии обеспечить. М-теория связывает вместе и включает в себя в равной степени все пять теорий струн, показывая, что каждая из них является частью более великого теоретического обобщения.

Сила перевода

Хотя Рис. 13.1 схематически передает существенное содержание открытия Виттена, оно, выраженное таким образом, может поразить вас не более, чем бейсбольная расстановка. До прорыва Виттена исследователи думали, что имеются пять отдельных версий теории струн; после его прорыва они так не думают. Но если вы никогда не знали, что имелось пять предположительно различных теорий струн, почему вы должны интересоваться, что самый хитроумный из всех струнных теоретиков показал, что они в конце концов не различаются? Иными словами, почему открытие Виттена революционно в противоположность более скромному достижению, корректирующему предыдущие ошибочные концепции?

(а) (b)

Рис 13.1 (а) Схематическое изображение пяти струнных теорий перед 1995 годом, (b) Схематическое изображение мета-унификации, показанной М-теорией.

Вот почему. В течение последних нескольких десятилетий струнным теоретикам то и дело препятствовали математические проблемы. Поскольку точные уравнения, описывающие любую одну из пяти струнных теорий оказывались столь сложными для их выделения и анализа, теоретики больше основывались в своих исследованиях на приближенных уравнениях, с которыми намного легче работать. Хотя имеются хорошие основания быть уверенным, что приближенные уравнения должны во многих обстоятельствах давать ответы, близкие к ответам, которые были бы даны точными уравнениями, приближения – вроде переводов с языка на язык – всегда что-то упускают. По этой причине определенные ключевые проблемы оказались вне пределов математической досягаемости приближенных уравнений, существенно мешая прогрессу.

При неточностях, неотъемлемых от текстуальных переводов, читатели имеют пару немедленных средств исправления. Лучший способ, если лингвистические уровни читателей превышают требуемый, проконсультироваться с оригинальным манускриптом. В данный момент аналог этого способа неприменим для струнных теоретиков. Благодаря логичности словаря, разработанного Виттеном и другими, мы имеем сильное подтверждение, что все пять струнных теорий являются различными описаниями одной главной теории, М-теории, но исследователям еще предстоит разработать полное понимание этой теоретической связи. Мы узнали многое об М-теории в последние несколько лет, но нам все еще далеко идти, прежде чем кто-нибудь сможет обоснованно заявить, что имеется совершенное или полное понимание. В теории струн это подобно тому, как если бы мы имели пять переводов с главного текста, который-еще-предстоит-открыть.

Другое средство, способное помочь, хорошо известное читателям переводов, которые или не имеют оригинала (как в теории струн) или, в более общем случае, не понимают языка, на котором он написан, заключается в обращении к нескольким переводам главного текста на языки, с которыми они знакомы. Отрывки, для которых переводы согласуются, дают уверенность; отрывки, для которых они отличаются, свидетельствуют о возможных неточностях или высвечивают различные интерпретации. Именно этот подход Виттен сделал применимым своим открытием, что пять теорий струн являются различными переводами одной и той же лежащей в основании теории. Фактически, его открытие обеспечило экстремально мощную версию этой линии атаки, которая может быть лучше понята через хрупкую аналогию с переводами.

Представим себе главный манускрипт, начиненный таким гигантским диапазоном каламбуров, рифм и поразительных, чувствительных к культуре шуток, что полный текст не может быть изящно выражен ни на одном из пяти данных языков, на которые он переведен. Некоторые отрывки могут быть переведены на суахили с легкостью, тогда как другие части могут оказаться совершенно непостижимыми на этом языке. Большее проникновение в некоторые из этих последних частей может появиться из перевода на эскимосский язык; в некоторых других разделах этот перевод может быть полностью темным для понимания. Санскрит может ухватить сущность некоторых из этих мудреных отрывков, но для других, особенно трудных разделов все пять переводов могут оставить вас ошеломленными, и только главный текст будет вразумительным. Это более близко к ситуации с пятью теориями струн. Теоретики нашли, что для определенных вопросов одна из пяти теорий может дать прозрачное описание физических следствий, тогда как описания, данные остальными четырьмя, будут слишком сложны математически, чтобы быть пригодными. И в этом заключается сила открытия Виттена. Перед его прорывом исследователи струнной теории, которые сталкивались с неподатливо сложными уравнениями, вязли. Но труд Виттена показал, что каждое такое уравнение допускает еще четыре математических перевода – четыре математических формулировки – и иногда на один из переформулированных вопросов оказывается намного проще дать ответ. Итак, словарь переводов между пятью теориями может иногда обеспечить возможность перевода невозможно сложных уравнений в относительно простые.

Это не "защита от дурака". Точно так же, как все пять переводов определенного отрывка в главный текст могут быть одинаково неполными, иногда математические описания, даваемые всеми пятью теориями струн, являются одинаково непонятными. В таких случаях, точно так же, как нам бывает нужно проконсультироваться с самим оригинальным текстом, нам, чтобы продвинуться, может понадобиться полное осмысление неуловимой М-теории. Даже при этих условиях в большом количестве обстоятельств открытие Виттена обеспечивает мощный новый инструментарий для анализа теории струн.

Поэтому, точно так же, как каждый перевод сложного текста служит важной конечной цели, каждая струнная формулировка делает то же. Объединяя взгляды, возникающие с точки зрения каждой, мы оказываемся в состоянии ответить на вопросы и обнаружить свойства, которые находятся полностью за пределами достижимого для каждой отдельной струнной формулировки. Открытие Виттена, таким образом, дало теоретикам в пять раз большую огневую мощь для продвижения линии фронта теории струн. Поэтому, в значительной части, оно пробудило революцию.

Одиннадцать измерений

Итак, с нашей вновь обретенной силой для анализа теории струн, какие достижения появились? Их было много. Я сосредоточусь на тех, которые имеют самое большое влияние на историю пространства и времени.

В качестве первостепенной важности, работа Виттена обнаружила, что приблизительные уравнения теории струн, использовавшиеся в 1970е и 1980е годы для заключения, что вселенная должна иметь девять пространственных измерений, ошиблись в правильном их числе. Анализ показал, что точный ответ заключается в том, что в соответствии с М-теорией вселенная имеет десять пространственных измерений, что означает одиннадцать пространственно-временных измерений. Почти как Калуца нашел, что вселенная с пятью пространственно-временными измерениями обеспечивает схему для унификации электромагнетизма и гравитации, и почти как струнные теоретики нашли, что вселенная с десятью пространственно-временными измерениями обеспечивает схему для унификации квантовой механики и ОТО, Виттен нашел, что вселенная с одиннадцатью пространственно-временными измерениями обеспечивает схему для унификации всех струнных теорий. Подобно пяти деревням, которые выглядят при взгляде с уровня земли полностью разделенными, но, когда мы смотрим с вершины горы, – задействовав дополнительное вертикальное измерение, – они выглядят связанными сетью путей и дорог; дополнительное пространственное измерение, появляющееся из анализа Виттена, было решающим для нахождения им связей между всеми пятью теориями струн.