Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

Теория струн была предложена в конце 1960-х годов как теория сильного ядерного взаимодействия, но, когда в 1970-х была разработана теория хромодинамики, которая оказалась успешной, теорию струн сочли бесполезной и перестали использовать. Однако скоро стало понятно, что, если дополнить теорию струн идеей суперсимметрии, она может претендовать на гораздо более существенную роль, чем теория сильного взаимодействия, – на место Теории всего.

Основное положение теории суперсимметричных струн (или суперструн) в следующем: один из способов унифицировать все силы – добавить новое измерение в знакомое нам трехмерное пространство. Эта идея восходит к работам польского физика-теоретика Теодора Калуцы, который вскоре после окончания Первой мировой войны заметил, что, если решить уравнения Эйнштейна, касающиеся общей теории относительности, в пятимерном пространстве-времени вместо четырехмерного, то получится электромагнетизм в виде вибраций в этом пятом, невидимом измерении. Калуца показал свою работу Эйнштейну, которому поначалу она понравилась. Казалось, что в области электромагнетизма она сделала то, что удалось Эйнштейну в области гравитации, – заменила теоретическое описание в терминах физической силы описанием в терминах чистой геометрии.

И все же, несмотря на этот изящный способ унификации света (электромагнетизма) и гравитации (общей теории относительности), большинство физиков (включая самого Эйнштейна) вскоре стали скептически относиться к работе Калуцы, поскольку не удалось экспериментально доказать существование этого дополнительного измерения.

Через несколько лет шведский физик Оскар Клейн высказал предположение, что пятое измерение нельзя наблюдать потому, что оно «свернуто» и слишком мало, чтобы его увидеть. Чтобы пояснить это, можно воспользоваться стандартной аналогией. На расстоянии шланг кажется одноразмерной лентой, но если увеличить масштаб, мы увидим, что на самом деле это двухмерная поверхность, смотанная в цилиндр. Второе измерение (окружность шланга) слишком мало, чтобы разглядеть его на расстоянии. Клейн предположил, что это верно и для пятого измерения Калуцы, которое свернуто в окружность размером в одну миллиардную триллионной части атома. Хотя теория Калуцы – Клейна не привела к унификации гравитации и электромагнетизма, она помогла исследователям найти связь между теорией суперструн и измерениями более высокого уровня. Однако теперь вместо одного скрытого пространственного измерения требовались целых шесть, причем все они должны быть «скручены» в один шестиразмерный шар, который невозможно визуализировать. Таким образом, теория суперструн утверждает, что существует десять измерений: четыре измерения пространства-времени, данные нам в ощущениях, плюс шесть скрытых измерений.

Многие исследователи, которые стремятся унифицировать все силы природы, до сих пор продолжают работать над теорией струн. Они утверждают: мы уже далеко продвинулись в понимании трех сил из четырех, используя такие успешные идеи, как квантовая теория поля и суперсимметрия; почему бы нам так же не обуздать гравитацию. Вполне возможно, что они правы.

Теория струн опирается на квантовые механические свойства материи в пространстве-времени. Ее основополагающая идея заключается в том, что все элементарные точечные частицы на самом деле являются крошечными струнами, вибрирующими в скрытых измерениях. Эти струны гораздо меньше, чем масштабы, которые сейчас используются в физике частиц, так что нам они представляются в виде точек. В 1990-х годах возникла новая проблема: оказалось, что существует пять различных версий теории струн, причем никто не знал, какая из них верна. Тогда была предложена новая, еще более мощная теория, которая сводила воедино все пять версий. Эта всеобъемлющая теория теперь называется М-теорией – суперсимметричной теорией с одиннадцатью, а не десятью измерениями. Однако оказалось, что для разработки всеобщей программы унификации нужно еще одно скрытое измерение.

Так что, вот оно? Является ли М-теория конечной теорией всего? К сожалению, мы еще не можем этого сказать. Хотя ее математический аппарат отличается изяществом и мощью, мы не можем сказать, являются ли М-теория и теория струн адекватными описаниями реальности. В следующей главе я обращусь к некоторым самым известным проблемам и противоречиям, связанным с этим вопросом. Во всяком случае, у М-теории в этой погоне за унификацией есть достойный соперник. Новая теория – петлевой квантовой гравитации – имеет столь же спекулятивный характер, однако некоторые физики-теоретики считают, что она обеспечивает более ясный и разумный путь к унификации. Она появилась в последнем десятилетии ХХ века.

Петлевая квантовая гравитация

Теория петлевой квантовой гравитации берет начало не из квантовой теории поля, а с другой стороны – из общей теории относительности. В ее основу положено понятие пространства-времени, а не содержащейся в нем материи. С эстетической точки зрения могло бы показаться логичным подвергнуть гравитационное поле квантованию. Ведь согласно общей теории относительности оно и есть собственно пространство-время. Тогда, если мы дойдем до достаточно мелкого разрешения, мы увидим, что пространство становится зернистым и дискретным. Подобно тому как в 1900 году Макс Планк предположил, что тепловая радиация в конечном счете распространяется в виде квантовых сгустков, квантование пространства предполагает, что должен существовать какой-то минимальный отрезок, который дальше уже не разделить. Однако кванты гравитационной энергии являются квантами самого пространства, что подразумевает, что они не могут существовать в виде сгустков внутри пространства… они являются сгустками самого пространства.

Считается, что мельчайшая единица пространства – квантовый объем – составляет в поперечнике один планк, то есть 10-35 метра. Мне всегда доставляло удовольствие представлять, насколько это ничтожный объем. Например, атомное ядро содержит столько планков, сколько кубических метров в Млечном Пути.

Если мы хотим квантовать гравитационное поле, такая дискретизация пространства кажется неизбежной. Из этого следует, что время тоже должно быть «комковатым». Так что ровное пространство и время, данное нам в ощущениях – это не что иное, как крупномасштабное приближение «комковатых» гравитационных квантов, которые представляются нам разглаженными, поскольку отдельные пространственно-временные пиксели слишком малы для нашего восприятия.

Теория петлевой квантовой гравитации абсолютно противоречит теории струн, согласно которой гравитационное поле действует через квантовые гравитационные частицы (гравитоны, лишенные массы состояния струн), и в этом она схожа со Стандартной моделью, согласно которой три силы (электромагнетизм и сильное/слабое ядерные взаимодействия) являются, по сути, квантовыми полями, действующими через частицы – носители импульса. В теории струн этот квант гравитационного поля существует внутри пространства-времени, тогда как в теории петлевой гравитации квантуется само понятие пространства-времени.

Теория петлевой гравитации подразумевает замкнутый маршрут, который ведет от одного кванта пространства через некие соединения к соседним квантам, причем он имеет форму петли и снова выводит к начальной точке. Характер этих петель определяет искривленность пространства-времени.