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

Из всех обсуждавшихся здесь намеков я выбрал голографический принцип как тот, который наиболее вероятен, чтобы играть доминирующую роль в будущих исследованиях. Он возникает из основного свойства черных дыр – их энтропии, – понимание которой, с чем согласны многие физики, покоится на твердом теоретическом основании. Даже если детали наших теорий должны будут измениться, мы ожидаем, что любое осмысленное описание гравитации будет допускать черные дыры, а потому ограничения энтропии, ведущие в данном обсуждении, будут продолжать существовать и голография будет применяться. То, что теория струн естественным образом включает голографический принцип, – по меньшей мере, в некоторых примерах согласно математическому анализу, – является другим сильным куском доказательства, означающего обоснованность принципов. Я ожидаю, что безотносительно к тому, куда нас может завести поиск основ пространства и времени, безотносительно к модификациям теории струн/М-теории, которые могут поджидать нас за поворотом, голография будет продолжать оставаться ведущей концепцией.

Составляющие пространства-времени

На протяжении этой книги мы периодически намекали на ультрамикроскопические составляющие пространства-времени, но хотя мы привели косвенные аргументы их существования, мы еще должны сказать что-нибудь о том, чем на самом деле могут быть эти составляющие. И по хорошей причине. Мы на самом деле не имеем идеи, что они собой представляют. Или, возможно, я должен сказать, когда речь идет об идентификации простейших ингредиентов пространства-времени, мы не имеем идей о том, в чем мы на самом деле уверены. Это великая прореха в наших представлениях, но имеет смысл посмотреть на проблему в ее историческом контексте.

Если бы вы опросили ученых конца девятнадцатого века по поводу их взглядов на элементарные составляющие материи, вы бы не нашли универсального согласия. Всего лишь столетие назад атомная гипотеза была спорной; имелись хорошо известные ученые, – один из них Эрнст Мах, – которые полагали ее не верной. Более того, всегда со времен получения атомной гипотезой широкого признания в начале двадцатого века ученые постоянно дополняли обеспечивающую ее картину тем, во что верилось как во все более элементарные ингредиенты (например, сначала протоны и нейтроны, затем кварки). Теория струн является самым последним шагом по этому пути, но, поскольку она еще должна быть подтверждена эксприментально (и, даже если это произошло бы, это не могло бы помешать существованию еще более утонченной теории, ожидающей разработки), мы должны откровенно признать, что поиски составляющих основного материала природы продолжаются.

Включение пространства и времени в современный научный контекст восходит к Ньютону в 1600е, но серьезные размышления относительно их микроскопического строения потребовали открытий в двадцатом столетии ОТО и квантовой механики. Таким образом, на исторической шкале времени мы, на самом деле, только еще начали анализировать пространство-время, так что отсутствие определенных предположений об их "атомах" – самых элементарных составляющих пространства-времени – не является черной меткой на теме. Далеко от этого. То, что мы получили, так же как то, что мы имеем, – что мы обнаружили множество свойств пространства и времени чрезвычайно далеко от повседневного опыта, – свидетельствует о прогрессе, непостижимом столетие назад. Поиск самых фундаментальных ингредиентов природы, или материи, или пространства-времени является огромной проблемой, которая, вероятно, займет у нас некоторое время до ее разрешения.

Для пространства-времени имеются два многобещающих направления поисков элементарных составляющих. Одно предложение вытекает из теории струн, а другое из теории, известной как петлевая квантовая гравитация.

Предложение теории струн, в зависимости от того, насколько напряженно вы о нем думали, представляется или интуитивно привлекательным, или совершенно непостижимым. Поскольку мы говорим о "ткани" пространства-времени, предложение заключается в том, что, может быть, пространство-время сшито из струн точно так же, как рубашка сшита из нитей. Это означает, почти как подходящим образом объединенное вместе большое количество нитей производит ткань рубашки, может быть, подходящим образом объединенное вместе большое количество струн производит то, что мы обычно называем тканью пространства-времени. Материя, вроде вас и меня, тогда будет означать дополнительные агломерации вибрирующих струн, – как звонкая музыка, играющая поверх приглушенного шума, или искусно сделанный узор, вышитый на ровном куске материала, – движущихся внутри среды сшитых вместе струн пространства-времени.

Я нахожу это заманчивым и убедительным предложением, но на данный момент никто не превратил эти слова в точное математическое построение. Насколько я могу судить, препятствия к тому, чтобы сделать это, далеко не мелкие. Например, если ваша рубашка полностью распускается, вы остаетесь с кучей нитей – в результате, в зависимости от обстоятельств, вы можете найти это смущающим или вызывающим раздражение, хотя, вероятно, не сильно удивительным. Но совершенно изматывает разум (мой разум, по меньшей мере) размышление об аналогичной ситуации со струнами – нитями пространства-времени в этом предложении. Что мы должны понимать под "кучей" струн, которые выпутались из ткани пространства-времени, или, вероятно, более правильно, еще даже не объединились вместе, чтобы произвести ткань пространства-времени? Может существовать соблазн думать о них, почти как мы это делаем о нитях рубашки, – как о сыром материале, который нужно сплести вместе, – но это замалчивает абсолютно необходимую тонкость. Мы рисуем струны как колеблющиеся в пространстве и через время, но вне ткани пространства-времени, которую создают сами струны через их упорядоченное объединение, нет ни пространства, ни времени. В этом предложении концепции пространства и времени теряют смысл до того, как бесчисленные струны не сплетутся вместе, чтобы произвести их.

Таким образом, чтобы придать смысл этому предложению, нам нужна схема для описания струн, которая не предполагает с самого начала, что они колеблются в заранее существовавшем пространстве-времени. Нам нужна формулировка теории струн полностью без пространства и без времени, в которой пространство-время возникает из коллективного поведения струн.

Хотя имелся прогресс в направлении этой цели, никто еще не подошел к такой формулировке теории струн без пространства и без времени – к тому, что физики называют независимой от фона формулировкой (термин возникает из общего понятия пространства-времени как заднего плана, фона по отношению к имеющим место физическим явлениям). Вместо этого, по существу, все подходы воображают струны как движущиеся и колеблющиеся сквозь пространство-время, которое вводится в теорию "руками"; пространство-время не возникает из теории, как это будет по представлениям физиков в независимой от фона схеме, а добавляется в теорию теоретиком. Многие исследователи рассматривают разработку независимой от фона формулировки как единственную величайшую нерешенную проблему, стоящую перед теорией струн. Она не только должна дать ответ на вопрос происхождения пространства-времени, но независимая от фона схема должна, вероятно, стать инструментом в решении главной загвоздки, с которой мы столкнулись в конце Главы 12, – неспособности текущей теории выбрать геометрическую форму дополнительных измерений. Раз уж ее математический формализм отцепляется от любого особого пространства-времени, появляется основание полагать, что теория струн будет способна исследовать все возможности и, вероятно, рассудить, какая среди них годится.

Другая трудность, стоящая перед предложением рассматривать струны как нити пространства-времени, в том, как мы изучили в Главе 13, что теория струн имеет и другие ингредиенты, кроме струн. Какую роль эти другие компоненты должны играть в фундаментальной структуре пространства-времени? Этот вопрос вводится в особенно острой форме сценарием мира на бране. Если трехмерное пространство, которое мы ощущаем, является 3-браной, является ли сама брана неделимой на части или она сделана из объединения других ингредиентов теории? Например, сделаны ли браны из струн или как струны, так и браны являются элементарными? Или мы должны рассматривать еще и другую возможность, что браны и струны могут быть сделаны из некоторых еще более тонких ингредиентов? Эти вопросы стоят на переднем фронте исследований сегодняшнего дня, но, поскольку эта последняя глава посвящена подсказкам и путеводным нитям, позвольте мне отметить один важный результат, который привлек большое внимание.

Ранее мы говорили о различных бранах, имеющихся в теории струн/М-теории: 1-браны, 2-браны, 3-браны, 4-браны и так далее. Хотя я не акцентировал на этом внимание раньше, в теории имеются также 0-браны – ингредиенты, которые не имеют пространственного протяжения, почти как точечные частицы. Это может показаться противоречащим самому духу теории струн/М-теории, которая удаляется от схемы с точечными частицами в попытке приручения диких шероховатостей квантовой гравитации. Однако, 0-браны, точно так же, как их более многомерные родственницы на Рис. 13.2, появляются с присоединенными струнами, буквально, а потому их взаимодействия управляются струнами. Тогда не удивительно, что 0-браны ведут себя совершенно не похоже на общепринятые точечные частицы, и, что самое важное, они полностью принимают участие в рассеивании и уменьшении ультрамикроскопических дрожаний пространства-времени; 0-браны не вводят заново фатальный порок, беспокоящий схемы с точечными частицами, которые пытаются соединить квантовую механику и ОТО.