Стихи - Фотография - Проза - Уфология - О себе - Фотоальбом - Новости - Контакты -

Главная   Назад

Мичио Каку Параллельные миры

0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|

Поскольку субатомные частицы нельзя разглядеть даже при помощи наших мощнейших инструментов, физики прибегли к жестокому, йо эффективному методу их анализа — сталкивании их при огромных энергиях. Миллиарды долларов были пущены на сооружение огромных «ускорителей частиц» диаметром во много километров. В них создаются пучки субатомных частиц, сталкивающихся друг с другом. Затем физики тщательно анализировали, что осталось после столкновения. Целью этого трудоемкого и напряженного процесса является создание ряда чисел, называемого матрицей рассеяния, или S-матрицей. Этот набор чисел имеет ключевое значение, поскольку в нем закодирована вся информация субатомной физики, — то есть ели знать S-матрицу, то можно вывести из нее все свойства элементарных частиц.

Одной из задач физики элементарных частиц является прогнозирование математической структуры S-матрицы для сильных взаимодействий — цель настолько трудно достижимая, что некоторые физики считали, что она лежит за пределами известной физики. Тут уже можно представить сенсацию, которую произвели Венециано и Судзуки, просто-напросто догадавшиеся об S-матрице, просматривая математическую книжку.

Модель Венециано была совершенно нестандартной. Обычно, когда кто-либо предлагает новую теорию (такую, как, допустим, кварки), физики вертят эту теорию, изменяя простые параметры (массы частиц или, скажем, силы взаимодействия). Но модель Венециано была настолько хорошо пригнана, что даже малейшее нарушение ее основной симметрии разрушало всю формулу. Эту модель можно сравнить с изделием из хрусталя тонкой работы: при любой попытке изменить его форму он разобьется вдребезги.

Из сотен работ, которые банально изменяли параметры модели, тем самым разрушая ее красоту, ни одна не продержалась до сегодняшнего дня. Сохранилась память лишь о работах, авторы которых задавались вопросом о том, почему вообще работает эта теория. Иными словами, они пытались обнаружить ее симметрии. В конце концов физики поняли, что эта теория вообще не содержит настраиваемых параметров.

Как ни замечательна была модель Венециано, все же и в ней крылись кое-какие проблемы. Во-первых, физики поняли, что это было всего лишь первое приближение к окончательной S-матрице, а не полная картина. Бундзи Сакита, Мигель Вирасоро и Кейджи Киккава (в те времена в Университете Висконсина) поняли, что S-матрицу нужно рассматривать как бесконечный ряд элементов и что модель Венециано была всего лишь первым и самым важным элементом в этом ряду. (Грубо говоря, каждый элемент в ряду представлял собой определенное количество вариантов столкновения частиц друг с другом. Они выработали несколько правил, при помощи которых можно было построить высшие элементы в их приближении. В своей диссертации я твердо решил завершить эту программу и создать все возможные поправки к модели Венециано. Вместе с коллегой Л. П. Ю я вычислил бесконечный набор поправочных элементов к этой модели.)

В конце концов Иоитиро Намбу из Чикагского университета и Тэцуо Гото из Японского университета определили ключевую характеристику, которая приводила модель в действие. Этой характеристикой оказалась вибрирующая струна. (В этом направлении также работали Леонард Зюскинд и Хольгер Нильсен.) Когда струна сталкивалась с другой струной, создавалась S-матрица, описанная в модели Венециано. В таком представлении каждая частица есть не рто иное, как вибрация, или нота, взятая на струне. (Я подробнее обращусь к этому понятию позднее.)

Развитие теории проходило очень стремительно. В 1979 году Джон Шварц, Андре Неве и Пьер Рамон обобщили струнную модель Таким образом, что она включала в себя новый параметр — спин, — hrro делало струнную модель подходящей кандидатурой и для взаимодействий частиц. (Как мы увидим далее, все субатомные частицы вертятся подобно волчку. Спин для каждой субатомной частицы: может быть представлен как целым числом (0,1,2), так и полуцелым (1/2, 3/2). Что примечательно, струна Неве-Шварца-Рамона давала именно этот набор спинов.)

И все же я был не удовлетворен. Двойная резонансная модель, как тогда ее называли, представляла собой скопление странных формул и практических методов. В течение последних 150 лет вся физика основывалась на «полях», которые были впервые введены британским физиком Майклом Фарадеем. Представьте себе линии Магнитного поля, создаваемого магнитом. Эти линии пронизывают пространство подобно паутине. В любой точке пространства можно измерить напряженность и направления силовых магнитных линий. Подобным образом и поле является математическим объектом, который приобретает различные значения в каждой точке пространства. Таким образом, поле определяет магнитное, электрическое или ядерное взаимодействие в любой точке Вселенной. Поэтому фундаментальное описание электричества, магнетизма, ядерной силы и гравитации основано на полях. Почему струны должны быть Чем-то другим? От «полевой теории струн» требовалось, чтобы она дала возможность подвести итог всему содержанию теории в одном-единственном уравнении.

В 1974 году я решил заняться этим вопросом. Вместе с коллегой Кейджи Киккавой из Университета Осаки нам удалось вывести самую суть полевой теории струн. Мы смогли суммировать всю информацию, содержащуюся в струнной теории, в уравнении длиной менее четырех сантиметров Теперь, когда полевая теория струн была сформулирована, необходимо было убедить физическое сообщество в ее силе и красоте. Я принял участие в конференции по теоретической физике в Аспенском центре в Колорадо тем же летом и провел семинар с небольшой группой ведущих физиков. Я порядком нервничал: среди слушателей были два нобелевских лауреата, Марри Гелл-Манн и Ричард Фейнман, которые славились тем, что любили задавать едкие и остроумные вопросы, заставляя оратора нервничать. (Однажды во время лекции, которую проводил Стивен Вайнберг, он начертил на доске угол, отмеченный буквой W, который был назван углом Вайнберга в его честь. Фейнман задал вопрос о том, что означала буква W Вайнберг еще только начал отвечать, как Фейнман крикнул: «Неверно!», что вызвало смех в зале. Что же, может быть, Фейнман и развлек слушателей, но последним смеялся все же Вайнберг. Угол на доске представлял важную часть теории Вайнберга, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействие и в конечном итоге принесшей ему Нобелевскую премию.)

В ходе своей лекции я подчеркнул тот факт, что струнная теория поля представила бы наиболее простой и всесторонний подход к струнной теории, в значительной степени представлявшей собой разношерстное скопление разрозненных формул. При помощи струнной теории поля всю теорию можно было суммировать в одном-единственном, не очень длинном уравнении: все свойства модели Венециано, все элементы бесконечной аппроксимации возмущения, все свойства колеблющихся струн — все можно было вывести из уравнения, которое поместилось бы в китайском печенье с предсказаниями. Я обратил внимание на симметрии струнной теории, которые придавали ей прелесть и силу. Когда струны движутся в пространстве-времени, они описывают двумерные поверхности, похожие на полоски. Эта теория остается неизменной вне зависимости от координат, которыми мы можем пользоваться для описания этого двумерного пространства. Я никогда не забуду, как после лекции ко мне подошел Фейнман и сказал: «Я не во всем могу согласиться с вами по поводу струнной теории, но лекция, прочитанная вами, — одна из самых красивых, которые я когда-либо слышал». Десять измерений

Сразу после появления струнной теории ее начали активно разрабатывать, снимая с нее покров тайны. Клод Лавлейс из Университета Рутгерс обнаружил в модели Венециано крошечный математический изъян, исправить который можно было только в том случае, если Предположить, что пространство-время обладает 26 измерениями. Подобным образом и суперструнная модель Неве, Шварца и Рамона Могла существовать только в десяти измерениях. Физиков это шокировало. Такого наука не видела за всю свою историю. Нигде больше мы не встретим теории, которая определяет количество измерений сама для себя. Например, теории Ньютона и Эйнштейна могут быть сформулированы для любого числа измерений. Знаменитый закон тяготения, построенный на обратных квадратах, можно обобщить в законе обратных кубов для четырех измерений. Что же касается струнной теории, то она могла существовать только в особых измерениях.

Спрактическойточкизренияэтобылокатастрофой. Общепринято было считать, что наш мир существует в трех пространственных измерениях (длина, высота и ширина) и одном временном. Принять теорию, основанную на десяти измерениях, значило признать, что она граничит с фантастикой. Струнные теоретики превратились в объект насмешек. (Джон Шварц вспоминает, как он ехал в лифте с Ричардом Фейнманом, который в шутку сказал: «Ну что, Джон, и в скольких измерениях вы живете сегодня?») Как струнные физики ни пытались спасти модель от краха, она все же довольно быстро скончалась. Только самые упорные продолжили работу над струнной теорией в тот период, и они были весьма немногочисленны.

Двоими из тех, кто продолжил работу над струнной теорией в те унылые годы, были Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и Джоэл Шерк из Высшей технической школы в Париже. До того времени предполагалось, что струнная модель создана для описания только сильных ядерных взаимодействий. Но была одна проблема: модель предсказывала существование частицы, которая не встречалась в сильных взаимодействиях, — любопытной частицы с нулевой массой, обладающей двумя квантовыми единицами спина. Ни одна из попыток избавиться от этой надоедливой частицы не увенчалась успехом. Каждый раз, когда ученые пытались исключить эту нежелательную частицу со спином 2, вся модель разрушалась и теряла свои волшебные свойства. Казалось, в этой нежелательной частице каким-то образом содержался секрет всей модели.

Затем Шерк и Шварц выдвинули дерзкое предположение. Возможно, изъян на самом деле был благословением. Если они интерпретировали эту назойливую частицу со спином в 2 как гравитон (квант гравитации из теории Эйнштейна), то тогда оказывалось, что струнная теория включала в себя теорию гравитации Эйнштейна! (Иными словами, общая теория относительности Эйнштейна просто выглядит как самая низкая вибрация или нота суперструны.) По иронии судьбы, в то время как в других квантовых теориях физики усиленно пытаются не допускать никакого упоминания о гравитации, струнная теория просто-напросто требует ее присутствия. (В сущности, это одна из привлекательных сторон струнной теории — она должна включать гравитацию, иначе теория окажется противоречивой.) После этого отважного рывка ученые поняли, что струнная теория была неверно применена к неверной проблеме. Струнной теории предстояло стать не просто теорией сильных ядерных взаимодействий — ей было предначертано стать теорией всего. Как отметил Виттен, привлекательной стороной струнной теории является то, что она требует присутствия гравитации. В то время как в стандартные теории поля десятилетиями не удавалось включить гравитацию, в струнной теории она неотъемлемый элемент.

Однако на конструктивную идею Шерка и Шварца в то время никто не обратил внимания. Для того чтобы струнная теория описывала как гравитацию, так и субатомный мир, требовалось, чтобы струны были длиной всего лишь в 10 зз см (длина Планка). Иными словами, они были в миллиард миллиардов раз меньше протона. Для большинства физиков это было чересчур.

Однако к середине 1980-х годов все другие попытки создания единой теории поля потерпели неудачу. Те теории, которые наивно пытались присоединить гравитацию к Стандартной модели, утопали в болоте бесконечностей (вскоре я поясню эту проблему). Каждый раз, когда ученые пытались искусственным образом соединить гравитацию с другими квантовыми силами, это приводило к появлению математических противоречий, которые убивали всю теорию. (Эйнштейн считал, что у Бога, возможно, не было выбора при создании Вселенной. Одной из причин тому может быть факт, что лишь одна-единственная теория свободна от всех этих математических противоречий.)

Существовало два вида математических противоречий. Первый — это проблема бесконечностей. Обычно квантовые флуктуации чрезвычайно малы. Квантовые эффекты, как правило, оказывают самое незначительное воздействие на законы движения Ньютона. Именно поэтому мы можем не обращать на них внимания в нашем макроскопическом мире — ведь они слишком малы, чтобы быть замеченными. Однако когда мы превращаем гравитацию в квантовую теорию, эти квантовые флуктуации становятся, в сущности, бесконечными, а это полный абсурд. Второе математическое противоречие относится к «аномалиям», небольшим отклонениям в квантовой теории, которые возникают при добавлении в теорию квантовых флуктуации. Эти аномалии нарушают первоначальную симметрию теории и лишают ее тем самым первоначальной силы.

Представьте, к примеру, конструктора ракеты: он должен создать гладкий обтекаемый летательный аппарат, который сможет пройти сквозь атмосферу. Чтобы уменьшить трение воздуха и лобовое сопротивление, ракета должна быть строго симметричной (в этом случае цилиндрически симметричной, то есть не изменять форму, если вращать ее вокруг оси). Такая симметрия называется 0(2). Но существуют две потенциальные проблемы. Во-первых, поскольку ракета движется с огромной скоростью, в ее крыльях может начаться вибрация. Как правило, при полетах на дозвуковых скоростях такие вибрации очень незначительны. Однако при полетах на сверхзвуковых скоростях эти отклонения могут возрасти и в конечном итоге привести к тому, что крыло оторвется. Подобные противоречия неотступно преследуют любую квантовую теорию гравитации.[6] Обычно они настолько малы, что их можно не принимать в расчет, но в квантовой теории гравитации они все расстраивают.

Второй проблемой является то, что в корпусе ракеты могут остаться крошечные трещины. Эти изъяны нарушают изначально задуманную симметрию ракеты 0(2). Как бы ни были малы эти трещины, они могут расшириться и в конце концов стать причиной разрушения всего корпуса. Подобным образом такие «трещины» убивают, симметрии теории гравитации.

Существует два способа решения проблемы. Первый заключается в том, чтобы найти решение с помощью «пластыря». Этот подход можно сравнить с заклеиванием трещин и укреплением крыльев при помощи палок в надежде, что ракета не взорвется и ее не разорвет на части в атмосфере. Исторически физики предпочитали именно этот подход в своих попытках соединения квантовой теории с гравитацией. Они пытались замести эти две проблемы под половик. Второй способ состоит в том, чтобы начать все сначала, с новой формой и новыми экзотическими материалами, которые могут выдержать нагрузки межзвездных полетов.

В течение нескольких десятилетий физики пытались «заштопать» квантовую теорию гравитации, но в результате сталкивались с безнадежно огромным количеством новых противоречий и аномалий. Постепенно они поняли, что выход заключается в том, чтобы отбросить возможное решение проблемы при помощи «пластыря» и принять принципиально новую теорию. Струнная теория выходит в свет

В 1984 году отношение к струнной теории совершенно изменилось. Джон Шварц из Калтеха и Майк Грин, тогда работавший в Колледже Королевы Марии в Лондоне, показали, что она лишена всех противоречий, которые заставили ученых отбросить так много теорий. Физикам было уже известно, что струнная теория свободна от математических противоречий. Но Шварц и Грин показали, что она также свободна от аномалий. В результате струнная теория стала ведущим (и на сегодняшний день единственным) претендентом на роль теории всего.

Совершенно неожиданно теория, которую считали полностью мертвой, возродилась. Из «теории ничего» струнная теория превратилась в теорию всего. Множество физиков бросились читать работы по струнной теории. Из исследовательских лабораторий всего мира поползла лавина работ, посвященных струнной теории. Старые работы, которые раньше пылились в библиотеках, внезапно стали самыми животрепещущими новинками в физике. Теория о параллельных вселенных, которая до того считалась слишком абсурдной, чтобы содержать в себе истину, теперь стала в физическом мире признаваться достаточно безумной, чтобы быть истинной. Этому предмету теперь посвящаются сотни конференций и буквально десятки тысяч работ.

(Временами события выходили из-под контроля, потому что некоторые физики подхватили «нобелевскую лихорадку». На обножке журнала «Дискавер» (Discover) в августе 1991 года красовался сенсационный заголовок: «Новая теория всего: физик берется за решение последней космической загадки». В статье приводились слова одного физика, который гнался за славой. «Мне нечего скромничать. Если это сработает, то за это положена Нобелевская премия», — хвастал он. В ответ на возражение о том, что струнная теория находится только в стадии становления, он выпалил: «Самые Важные фигуры в струнной теории говорят, что понадобится четыре сотни лет на то, чтобы доказать существование струн, но я бы предложил им заткнуться».)

Золотая лихорадка была в самом разгаре.

В скором времени возникла ответная реакция на этот триумфальный выход в свет струнной теории. Один физик из Гарварда с пренебрежением говорил, что струнная теория вовсе не является физической теорией, а есть на самом деле не что иное, как одно из направлений чистой математики, или философии, или даже религии. Нобелевский лауреат Шелдрн Глэшоу из Гарварда возглавлял обвинение, сравнивая повсеместное распространение струнной теории со «звездными войнами» (на создание которых затрачиваются огромные средства, но проверить которые невозможно). Глэшоу выразил свое удовольствие по поводу того, что так много молодых физиков занимаются струнной теорией, поскольку, сказал он, таким образом они ему не докучают. Глэшоу попросили прокомментировать заявление Виттена о том, что струнная теория может занять доминирующее положение в физике на ближайшие полвека подобно тому, как квантовая механика лидировала на протяжении последних пятидесяти лет. Тот ответил, что струнная теория будет занимать такое же лидирующее положение, как и теория Калуцы — Клейна (которую он считает полным бредом) на протяжении последних пятидесяти лет, что совсем не соответствует действительности. Он старался не пускать в Гарвард ученых, работающих над струнной теорией. Но поскольку следующее поколение физиков переметнулось на сторону струнной теории, даже одинокий голос Нобелевского лауреата был вскоре заглушён. (С тех пор Гарвард пригласил на работу нескольких ученых, работающих в области струнной теории.) Космическая музыка

Эйнштейн однажды сказал, что если теория не представляет такой физической картины, которая понятна даже ребенку, то она, скорее всего, бесполезна. К счастью, за струнной теорией стоит четкая физическая картина — картина, основанная на музыке.

Согласно струнной теории, если бы у нас был сверхмощный микроскоп и мы могли вглядеться в сердце электрона, то мы бы увидели вовсе не точечную частицу, а вибрирующую струну. (Струна чрезвычайно маленькая — около длины Планка, которая составляет Ю"33 см, — в миллиарды миллиардов раз меньше протона, а потому все субатомные частицы выглядят как точки.) Если бы мы задели эту струну, то характер вибрации изменился бы — электрон мог бы превратиться в нейтрино. Заденьте струну снова — и он, возможно, превратится в кварк. В сущности, если задеть струну достаточно сильно, то она могла бы превратиться в любую из известных субатомных частиц. Таким образом, струнная теория может легко объяснить, почему существует так много субатомных частиц. Они представляют собой не что иное, как «ноты», которые можно сыграть на суперструне. Для аналогии, на скрипичной струне ноты ля, си или до-диез не являются основными. Просто, играя на струне различным способом, мы можем получить все ноты музыкальной гаммы. Например, си-бемоль является не более основной, чем соль. Все они представляют собой лишь ноты, которые можно сыграть на скрипичной струне. Подобным образом, ни кварки, ни электроны не являются основными частицами — основой является сама струна. В сущности, все субчастицы Вселенной можно рассматривать в качестве различных вибраций струны. «Гармонией» струны являются законы физики.

Струны могут взаимодействовать путем расщепления и воссоединения, создавая таким образом взаимодействия, которые мы наблюдаем в атомах между электронами и протонами. В общем, с помощью струнной теории мы можем воспроизвести все законы атомной и ядерной физики. «Мелодии», которые могут быть сыграны на струнах, соотносятся с законами химии. Всю Вселенную теперь можно рассматривать как необъятную струнную симфонию.

Струнная теория не только дает объяснение частиц квантовой теории как музыкальных нот Вселенной, она также объясняет теорию относительности Эйнштейна: самая низкая вибрация струны, частица со спином «двойка» и нулевой массой, может интерпретироваться как гравитон — частица или квант гравитации. Если мы подсчитаем взаимодействия этих гравитонов, то в точности получим старую добрую теорию гравитации Эйнштейна в квантовом виде, Двигаясь, расщепляясь и изменяя форму, струна налагает огромные ограничения на пространство-время. При анализе этих ограничений мы опять-таки приходим к старой доброй общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, струнная теория четко объясняет теорию Эйнштейна без ненужных дополнительных усилий. Эдвард Виттен сказал, что если бы Эйнштейн не открыл теорию относительности, то его теория была бы открыта как побочный продукт струнной теории. В каком-то смысле, общая теория относительности является к ней бесплатным приложением.

Прелесть струнной теории состоит в том, что ее можно уподобить музыке. Музыка дает нам метафору, с помощью которой можно понять природу Вселенной как на субатомном, так и на космическом уровне. Как когда-то написал великий скрипач Иегуди Менухин, «Музыка создает порядок из хаоса; ибо ритм придает единодушие разобщенности; мелодия придает связность разрозненности; а гармония придает совместимость несовместимому».

Эйнштейн писал, что его поиски единой теории поля в конечном счете позволят ему «узреть замысел Божий». Если струнная теория верна, то мы увидим, что замысел Бога — это космическая музыка, резонирующая во всех десяти измерениях гиперпространства. Готфрид Лейбниц однажды сказал: «Музыка — это скрытые арифметические упражнения души, которая не ведает о том, что занимается вычислениями».

Исторически связь между музыкой и наукой установилась в V веке до н. э., когда греки-пифагорейцы открыли законы гармонии и свели их к математике. Они обнаружили, что высота тона задетой струны лиры соотносится с ее длиной. Если длину струны лиры увеличивали вдвое, то тон становился на октаву ниже. Если длину струны уменьшали до двух третей, то тон менялся на квинту. Исходя из этих данных, законы музыкальной гармонии могли быть сведены к точным отношениям между числами. Неудивительно, что девизом пифагорейцев была следующая фраза: «Всё есть числа». Изначально они были так довольны полученным результатом, что попытались применить выведенные законы гармонии ко всей Вселенной. Однако все их усилия были напрасны, поскольку такая задача отличалась чрезвычайной сложностью. И все же, работая со струнной теорией, физики в каком-то смысле возвращаются к мечте пифагорейцев.

Комментируя эту историческую связь, Джейми Джеймс однажды сказал: «Музыка и наука [когда-то] были настолько тесно связаны, что любого, кто предположил бы существование какого-либо коренного различия между ними, посчитали бы невеждой, [однако сегодня] любой, предположивший, что у них есть нечто общее, рискует показаться мещанином одной стороне и дилетантом — второй; и, что самое неприятное, обе группы сочтут его человеком, популяризирующим их идеи». Проблемы в гиперпространстве

Но если дополнительные измерения и вправду существуют в природе, а не только в чистейшей математике, то ученым, занимающимся струнной теорией, придется заняться той же проблемой, что неотступно преследовала Теодора Калуцу и Феликса Клейна в 1921 году, когда они сформулировали первую теорию дополнительных измерений: где же находятся эти измерения?

Калуца, впрошломмалоизвестньгйматематик, написал Эйнштейну письмо, в котором предлагал переписать уравнения Эйнштейна применительно к пяти измерениям (одно измерение времени и четыре измерения пространства). С математической точки зрения это никакой проблемы не представляло, поскольку уравнения Эйнштейна могли быть легко переписаны для любого количества измерений. Но в письме содержалось поразительное замечание: если выделить четырехмерные части, содержащиеся в уравнениях, записанных для пяти измерений, то мы автоматически, будто по волшебству, получим теорию света Максвелла! Иными словами, если мы всего лишь добавим пятое измерение, то из уравнений Эйнштейна для гравитации получается теория электромагнитного взаимодействия Максвелла.

Хотя мы не можем видеть само пятое измерение, на его поверхности образуется рябь, которая соответствует световым волнам! Это был приятный результат, поскольку на протяжении последних 150 лет целым поколениям физиков и инженеров приходилось заучивать сложные уравнения Максвелла. Сегодня эти сложные уравнения без всяких усилий выводятся как простейшие вибрации, которые можно обнаружить в пятом измерении.

Представьте себе рыб, плавающих в мелком пруду прямо под листьями кувшинок. Они считают, что их «вселенная» двумерна. Наш трехмерный мир может находиться за пределами их знания. Но существует способ, с помощью которого они могут уловить присутствие третьего измерения. Если идет дождь, то они отчетливо видят тень волн ряби, расходящихся по поверхности пруда. Подобным образом и мы не можем видеть пятого измерения, но рябь в пятом измерении предстает перед нами как свет.

(Теория Калуцы была прекрасным и глубоким открытием, касающимся симметрии. Позднее было замечено, что если мы добавим еще больше измерений к прежней теории Эйнштейна и заставим их вибрировать, то тогда эти вибрации дополнительных измерений будут представлять W- и Z-бозоны и глюоны, обнаруженные в сильном и слабом ядерном взаимодействии! Если путь, предложенный Калуцой, был верным, то Вселенная была явно намного проще, чем изначально предполагали ученые. Просто, вибрируя все «выше», измерения представляли многие взаимодействия, правящие миром.)

Хотя Эйнштейна потряс этот результат, он был слишком хорош, чтобы быть правдой. Спустя годы были обнаружены проблемы, которые сделали идею Калуцы бесполезной. Во-первых, его теория была усеяна противоречиями и аномалиями, что весьма типично для теорий квантовой гравитации. Во-вторых, тревожил гораздо более важный физический вопрос: почему же мы не видим пятого измерения? Когда мы пускаем стрелы в небо, мы не видим, чтобы они исчезали в другом измерении. Возьмем дым, который медленно проникает во все области пространства. Поскольку никогда не было замечено, чтобы дым исчезал в высшем измерении, физики поняли, что дополнительные измерения, если они вообще существуют, должны быть меньше атома. За последнее столетие идеей о дополнительных измерениях развлекались мистики и математики; что же касается фи-

зиков, то они с пренебрежением относились к этой идее, поскольку никто и никогда не видел, чтобы предметы пропадали в пятом измерении.

Для спасения теории физикам пришлось предположить, что эти дополнительные измерения настолько малы, что их нельзя наблюдать в природе. Поскольку наш мир четырехмерен, это предполагало, что пятое измерение должно быть свернуто в крошечный шарик размером меньше атома — слишком маленький, чтобы его можно было наблюдать в ходе эксперимента.

Струнной теории приходится сталкиваться с той же проблемой. Мы должны свернуть все эти нежелательные дополнительные измерения в крошечный шарик (этот процесс называется компактифи-кацией). Согласно струнной теории, изначально Вселенная была десятимерной, а все взаимодействия в ней были объединены струной. Однако десятимерное гиперпространство было неустойчивым, и шесть из десяти измерений начали сворачиваться в крошечный шарик, а остальные четыре расширились в Большом Взрыве. Причиной, по которой мы не видим эти другие измерения, является то, что они намного меньше атома, а потому ничто не может в них проникнуть. (Например, садовый шланг и соломинка издалека кажутся одномерными объектами, основной характеристикой которых является их длина. Но если рассмотреть их поближе, то мы обнаружим, что они, в сущности, являются двумерными поверхностями или цилиндрами, но второе измерение свернулось таким образом, что мы его не видим.) Почему струны?

Хотя все предыдущие попытки построить единую теорию поля с треском провалились, струнная теория до сих пор выдержала все испытания. В сущности, ей нет равных. Существуют две причины, по которым струнная теория преуспела там, где все остальные теории потерпели поражение.

Во-первых, будучи основанной на протяженном предмете (струне), струнная теория избегает многих отклонений, связанных с точечными частицами. Как заметил Ньютон, гравитационное взаимодействие, окружающее точечную частицу, при приближении к ней становится бесконечным. (В знаменитом законе обратных квадратов Ньютона гравитационное взаимодействие увеличивается пропорционально зависимости 1/г2, так что оно стремится к бесконечности, когда мы приближаемся к точечной частице; то есть когда г стремится к нулю, гравитационное взаимодействие возрастает и стремится к 1/0, что представляет собой бесконечность.)

Даже в квантовой теории эта сила остается бесконечной, если мы приблизимся к квантовой точечной частице. За многие десятилетия Фейнман и другие ученые создали ряд хитрых правил, с помощью которых эти и многие другие противоречия можно было замести под ковер. Но для того, чтобы исключить все бесконечности в квантовой теории гравитации, недостаточно даже мешка ухищрений, собранного Фейнманом. Проблема в том, что точечные частицы бесконечно малы, а это означает, что их силы и энергии потенциально бесконечны.

Но при внимательном рассмотрении струнной теории мы увидим, что есть два способа, при помощи которых мы можем избавиться от этих противоречий. Первый способ исходит из топологии струн, а второй из-за своей симметрии называется суперсимметрией.

Топология струнной теории носит совершенно другой характер, чем топология точечных частиц, а отсюда различны и возникающие противоречия. (Грубо говоря, поскольку струна обладает конечной длиной, это означает, что силы не стремятся к бесконечности при приближении к струне. Рядом со струной силы возрастают пропорционально зависимости 1 /L2, где L — это длина струны, соизмеримая с длинной Планка, порядка 10"33 см. Эта длина L позволяет отсечь все противоречия.) Поскольку струна не является точечной частицей, обладая определенным размером, можно показать, что противоречия «размазаны» вдоль всей струны, и отсюда все физические величины становятся конечными.

Хотя интуитивно кажется совершенно очевидным, что все противоречия струнной теории «размазаны» и потому конечны, точное математическое выражение этого факта довольно сложно и представлено «эллиптической модулярной функцией», одной из самых странных функций математики. Ее история настолько захватывающа, что ей даже довелось играть ключевую роль в одном из голливудских фильмов. «Умница Уилл Хантинг» — это история о неотесанном пареньке из рабочей семьи с окраин Кембриджа (его играл Мэтт Дэймон), который демонстрировал потрясающие способности к математике.

В сущности, фильм «Умница Уилл Хантинг» основан на жизни Сринивазы Рамануджана, величайшего математического гения двадцатого столетия. Он вырос в бедности и изоляции от основных научных достижений возле Мадраса в Индии на рубеже ХГХ и XX веков. Поскольку юноша жил в условиях оторванности от научного мира, ему пришлось до многого доходить самому, основываясь на европейской математике ХГХ века. Его карьера была подобна взрыву сверхновой, мимолетно осветившей небеса его математической гениальностью. Его смерть была трагична: он умер от туберкулеза в 1920 году в возрасте 37 лет. Подобно Мэтту Дэймону из фильма «Умница Уилл Хантинг», Рамануджан грезил математическими уравнениями, в данном случае эллиптической модулярной функцией: написанная для двадцати четырех измерений, она обладает причудливыми, но красивыми математическими свойствами. Математики и по сей день пытаются расшифровать «утерянные записи Рамануджана», обнаруженные после его смерти. Оглядываясь на работу Рамануджана, мы видим, что ее можно обобщить и свести к восьми измерениям, которые напрямую применимы к струнной теории. Физики добавляют еще два измерения для построения физической теории. (Например, создание поляризованных солнцезащитных очков основано на том факте, что свет обладает двумя физическими поляризациями: он может вибрировать влево-вправо или вверх-вниз. Но математическая формулировка света в уравнениях Максвелла представлена четырьмя компонентами. Две из этих четырех вибраций, в сущности, лишние.) Если мы добавим еще два измерения к функциям Рамануджана, то «волшебными числами» математики становятся 10 и 26, которые являются «волшебными числами» и в струнной теории. Таким образом выходит, что в каком-то смысле Рамануджан занимался струнной теорией еще до Первой мировой войны!

Сказочные свойства этих эллиптических модулярных функций объясняют, почему теория должна существовать в десяти измерениях. Только в таком количестве измерений будто по волшебству исчезает большая часть противоречий, наводняющих все остальные теории. Но сама по себе топология струн не обладает достаточной «властью», чтобы исключить все эти противоречия. Остальные противоречия струнной теории устраняются при помощи второй ее характеристики — суперсимметрии. Суперсимметрия

В струне заключены некоторые величайшие симметрии, известные науке. Обсуждая инфляционное расширение Вселенной и Стандартную модель в главе 4, мы видели, что симметрия предоставляет нам прекрасный способ организации субатомных частиц в приятные и изящные модели. Три типа кварков могут быть организованы согласно симметрии SU(3), которая позволяет кваркам меняться между собой местами. В теории ТВО считается, что пять типов кварков и лептонов могли бы быть организованы согласно симметрии SU(5).

В струнной теории благодаря этим симметриям уходят оставшиеся противоречия и аномалии. Поскольку симметрии представляют собой одно из наиболее прекрасных и мощных средств, имеющихся в нашем распоряжении, то вполне можно было бы ожидать, что теория Вселенной должна обладать наиболее изящной и мощной симметрией, какая только известна науке. Логичной была бы симметрия, которая позволила бы менять местами не только кварки, но и все частицы, которые можно встретить в природе. Это значит, что все уравнения должны оставаться неизменными, если мы изменим положение всех частиц относительно друг друга. Такой подход в точности описывает симметрия суперструны, называемая суперсимметрией.[7] Это единственный вид симметрии, который позволяет менять местами все известные физикам субатомные частицы. Такая симметрия является идеальным претендентом на место симметрии, которая организует все частицы Вселенной в единое, изящное целое.

Если рассматривать все взаимодействия и частицы Вселенной, то мы увидим, что, в зависимости от спина, все они делятся на две категории — «фермионы» и «бозоны». Они ведут себя как волчки, которые могут вращаться с различными скоростями. К примеру, спин фотона, частицы, являющейся носителем электромагнитного взаимодействия, равен единице. Гравитон, частица гравитации, имеет спин, равный двум. Все частицы, обладающие спином, выражающимся целым числом, называют бозонами. Подобным образом, частицы вещества описываются при помощи субатомных частиц, спин которых выражается полуцелыми значениями — 1/2, 3/2, 5/2 и так далее. (Частицы с полуцелыми значениями спина называют фермионами. К ним относятся электрон, нейтрино и кварки.) Таким образом, супер симметрия изящно выражает дуализм, возникающий между бозонами и фермионами, между взаимодействиями и веществом.

В теории, основанной на суперсимметрии, у каждой частицы есть напарник: каждый фермион находится в паре с бозоном. Хотя мы никогда не наблюдали этих суперсимметричных партнеров в природе, физики окрестили партнера электрона «сэлектроном», который обладает спином, равным нулю. (Физики добавляют «с» для описания суперпартнера какой-либо частицы.) Слабые взаимодействия включают в себя частицы, называемые лептонами: их суперпартнеров называют слептонами. Подобным образом и у кварка может быть партнер с нулевым спином, который называется скварком. В целом, партнеры всех известных частиц (кварков, лептонов, гравитонов, фотонов и так далее) называются счастицами, или суперчастицами. Эти счастицы нам еще только предстоит обнаружить при помощи ускорителей частиц (возможно, наше оборудование еще не достаточно мощное, чтобы мы могли получить эти частицы).

Но поскольку все субатомные частицы являются либо фермионами, либо бозонами, то в теории суперсимметрии содержится потенциал объединения всех известных субатомных частиц одной простой симметрией. Теперь у нас есть достаточно обширная симметрия, которая включит в себя целую Вселенную.

Представьте себе снежинку. Пусть каждый из шести ее кончиков представляет субатомную частицу, при этом бозоны расположены через один и за каждым бозоном следует фермион. Красота этой «суперснежинки» состоит в том, что при вращении она остается неизменной. Таким образом, эта суперснежинка объединяет все частицы и их счастицы. Поэтому, если мы попытаемся построить гипотетическую единую теорию поля, в которой есть лишь шесть частиц, то вполне естественно, что лучшим претендентом на эту роль явится супер снежинка.

Суперсимметрия помогает устранить все оставшиеся бесконечности, которые для других теорий оказывались роковыми. Ранее мы уже упоминали о том, что большая часть отклонений устраняется благодаря топологии струны — то есть, поскольку струна обладает конечной длиной, силы не стремятся к бесконечности при приближении к самой струне. При рассмотрении оставшихся отклонений мы видим, что они делятся на два типа, исходя из взаимодействий бозонов и фермионов. Однако два типа действий, производимых этими частицами, всегда имеют противоположный знак, а потому действие фермиона всегда компенсируется действием бозона! Иными словами, поскольку действия бозона и фермиона всегда имеют противоположный знак, то оставшиеся в теории противоречия взаимоустраня-юхся. Таким образом, суперсимметрия — это не просто витринное крашение. Это не только симметрия, которая дарит эстетическое удовольствие, — это неотъемлемый элемент для устранении отклонений в струнной теории.

Вспомним аналогию конструирования гладкой ракеты, в которой вибрации могут возрасти настолько, что в конечном счете у нее оторвет крылья. Одним из решений этой проблемы является применение силы симметрии для корректировки конструкции крыльев — таким образом, чтобы вибрации, возникающие в одном крыле, компенсировали вибрации в другом. Когда одно крыло вибрирует по часовой стрелке, второе крыло должно вибрировать против часовой стрелки, что уравновешивает вибрацию первого крыла. Таким образом, симметрия ракеты — казалось бы, всего лишь искусственный художественный элемент — имеет ключевое значение в устранении и балансировке нагрузок на крылья ракеты. Подобным образом и суперсимметрия устраняет отклонения благодаря тому, что бозонная и фермионная части полностью компенсируют действие друг друга.

(Суперсимметрия также решает ряд сложных технических проблем, фатальных для ТВО. Для устранения математических противоречий в ТВО необходима суперсимметрия.)

Хотя суперсимметрия несет в себе очень мощную идею, в настоящее время не существует никаких экспериментальных доказательств ее истинности. Это может объясняться тем, что суперпартнеры известных нам электронов и протонов могут попросту обладать слишком большой массой, чтобы мы могли получить их на современных ускорителях частиц. Однако существует очень даже привлекательное доказательство существования суперсимметрии. Мы знаем, что три квантовых взаимодействия различны по силе. В сущности, при малых энергиях сильное взаимодействие в 30 раз сильнее слабого взаимодействия и в сотню раз сильнее электромагнетизма. Однако так было не всегда. Мы предполагаем, что в момент Большого Взрыва все три взаимодействия были равны по силе. Возвращаясь назад во времени, физики могут вычислить силы трех взаимодействий в начале времен. Анализируя Стандартную модель, физики обнаружили, что силы трех взаимодействий, видимо, стремились к равенству в момент Большого Взрыва. Но они не в точности равняются друг другу. Зато когда мы добавляем суперсимметрию, то все три взаимодействия в точности совпадают друг с другом по силе, а это именно то, что предполагается в единой теории поля. И хотя этот факт не является прямым доказательством в пользу суперсимметрии, он все же показывает, что суперсимметрия, по крайней мере, вписывается в рамки известной физики.

Силы слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия не являются эквивалентными по силе в современном нам мире. Однако при энергиях Большого Взрыва силы этих взаимодействий должны полностью совпадать. Это совпадение имеет место при применении теории суперсимметрии. Таким образом, суперсимметрия может оказаться ключевым элементом для любой единой теории поля. Вывод Стандартной модели

Хотя в суперструнах в принципе не существует настраиваемых параметров, струнная теория может предложить решения, удивительно близкие к Стандартной модели с ее пестрым собранием причудливых субатомных частиц и девятнадцатью «гуляющими» параметрами (такими, как массы частиц и их силы взаимодействия). Кроме того, в Стандартной модели существуют три идентичные (и лишние) копии всех кварков и лептонов, что кажется совершенно бесполезным. Ксчастью, струнная теория может без напряжения вывести многие качественные характеристики Стандартной модели. В 1984 году Филип Канделас из Техасского университета, Гари Хоровиц и Эндрю Стромингер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а также Эдвард Виттен показали, что если свернуть шесть из десяти измерений струнной теории и при этом сохранить суперсимметрию в оставшихся четырех измерениях, то крошечный шестимерный мир можно описать при помощи того, что математики называют многообразием Калаби-Яу. Взяв несколько примеров из пространств Калаби-Яу, они показали, что симметрию струны можно свести к теории, которая удивительно близка к Стандартной модели.

Таким образом, струнная теория дает нам простой ответ на то, почему в Стандартной модели существуют три излишних поколения. В струнной теории количество поколений или излишеств в кварковой модели связано с количеством «отверстий», которые мы обнаруживаем в многообразии Калаби-Яу. (Например, возьмем пончик, велосипедную камеру и кофейную чашку — все они являются поверхностями с одним отверстием. В оправе для очков два отверстия. В пространствах Калаби-Яу может существовать произвольное количество отверстий.) Таким образом, просто выбрав многообразие Калаби-Яу, в котором есть определенное количество отверстий, мы можем построить Стандартную модель с различными поколениями лишних кварков. (Поскольку мы никогда не видим пространства Калаби-Яу из-за того, что оно очень маленькое, мы также никогда не видим и того факта, что это пространство, подобно пончику, пронизано отверстиями.) В течение многих лет группы физиков пытались каталогизировать все возможные пространства

Калаби-Яу, осознавая тот факт, что топология этого шестимерного пространства определяет кварки и лептоны нашей четырехмерной Вселенной. М-теория

Всеобщее увлечение струнной теорией, имевшее место в 1984 году, не могло продолжаться вечно. К середине 1990-х годов триумфальное шествие теории суперструн начало сбавлять темп. Легкие проблемы, которые решала эта теория, были уже все выбраны, и остались только сложные. Одной из таких проблем было открытие миллиардов решений струнных уравнений. При компактификации, или свертывании пространства-времени различным образом, струнные решения можно было записывать в любом измерении, а не только в четырех. Каждое из миллиардов струнных решений соответствовало математически непротиворечивой Вселенной.

Физики внезапно начали тонуть в струнных решениях. Что примечательно, многие из этих решений выглядели очень похожими на нашу Вселенную. Выбрав подходящее пространство Калаби-Яу, можно было относительно несложно воспроизвести многие из существенных черт Стандартной модели с ее причудливым скоплением кварков и лептонов, даже с ее любопытным набором поколений. Однако чрезвычайно сложной задачей (неразрешенной и по сей день) было обнаружить первоначальную Стандартную модель с определенными значениями ее девятнадцати параметров и тремя излишними поколениями. (Ошеломляющее количество струнных решений, вообще-то, приветствовалось физиками, которые поддерживали идею Мультивселенной, поскольку каждое решение представляет полностью непротиворечивую параллельную вселенную. Однако удручал тот факт, что физики испытывали сложности в обнаружении именно нашей Вселенной в этих джунглях вселенных.)

Одной из причин сложности этого предприятия является то, что в конечном счете суперсимметрию все же нужно разрушить, поскольку в нашем мире низких энергий мы этой симметрии не наблюдаем. К примеру, мы не видим в природе сэлектрона — суперпартнера электрона. Если оставить супер симметрию нетронутой, то масса каждой частицы должна быть эквивалентна массе ее суперчастицы.

Физики считают, что суперсимметрия была нарушена, и результатом этого является то, что массы суперчастиц огромны и, таким образом, суперчастицы находятся вне пределов досягаемости современных ускорителей частиц. Но в настоящее время никто еще не предложил правдоподобного механизма для нарушения суперсимметрии.

Дэвид Гросс из Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре заметил, что существуют миллионы и миллионы решений струнной теории в трех пространственных измерениях, что несколько смущает, поскольку нет способа, с помощью которого мы можем выбирать среди них.

Были и другие вопросы, в частности то, что существовало пять непротиворечивых струнных теорий. Было сложно представить, что Вселенная могла позволять существование пяти отдельных единых теорий поля. Эйнштейн считал, что у Бога не было выбора при создании Вселенной, так почему же Бог должен был создать целых пять вселенных?

Первоначальная теория, основанная на формуле Венециано, описывает то, что называют суперструнной теорией типа I. В теории типа I фигурируют как открытые струны (с двумя концами), так и замкнутые струны (свернутые в окружность). Эту теорию очень активно разрабатывали в начале 1970-х годов. (Используя струнную теорию поля, Киккаве и мне удалось каталогизировать полный набор струнных взаимодействий типа I. Мы показали, что струны типа I требуют пять взаимодействий. Что касается замкнутых струн, то мы показали, что там необходим только один член взаимодействия.)

Мы с Киккавой также показали, что возможно построение полностью непротиворечивых теорий только с замкнутыми струнами (то есть похожими на петлю). Сегодня такие теории называются струнными теориями типа II, где струны взаимодействуют путем расщепления на две струны меньшего размера (этот процесс напоминает митоз в клетках).

Наиболее реалистичной струнной теорией считается теория гете-ротических струн, сформулированная группой ученых из Принстона (в том числе Дэвидом Гроссом, Эмилем Мартинеком, Райаном Ромом и Джеффри Харви). Теория гетеротических струн может содержать в себе группы симметрии, называемые Е(8)хЕ(8) или 0(32), которые достаточно велики, чтобы включить в себя теории'ТВО.

Взаимодействие струн типа I может проходить в пяти различных вариантах. В ходе этих взаимодействий струны могут разрываться, соединяться и расщепляться. Для замкнутых струн характерно лишь последнее взаимодействие, которое напоминает процесс митоза в клетках.

Теория гетеротических струн полностью основывается на замкнутых струнах. В 1980-е и 1990-е годы, говоря о теории суперструн, ученые подразумевали теорию гетеротических струн, поскольку она достаточно богата, чтобы позволить анализировать внутри нее Стандартную модель и теории ТВО. Например, группу симметрии Е(8)хЕ(8) можно разбить до симметрии Е(8), а затем — Е(б), которая, в свою очередь, достаточно велика, чтобы включать симметрию SU(3)xSUC)xU(l) «Стандартной модели. Загадка супергравитации

Вдобавок к наличию пяти теорий суперструн существовал еще один насущный вопрос, позабытый в погоне за решением струнной теории. И97бгоду три физика — Питер ван Ныовенхойзен, Серджо Феррара и Дэниэл Фридман, в то время работавших в Государственном университете Нью-Йорка в Стоуни-Брук, обнаружили, что первоначальная теория гравитации Эйнштейна могла стать суперсимметричной, если ввести в нее всего лишь одно новое поле, суперпартнер первоначального гравитационного поля со спином 3/2 (названное гравитино, что означает «маленький гравитон»). Эта новая теория получила название теории супергравитации. В ее основе лежали точечные частицы, а не струны. В отличие от теории суперструн, где существовала бесконечная последовательность нот и резонансов, в теории супергравитации было всего лишь две частицы. В 1979 году Юджин Креммер, Джоэл Шерк и Бернар Джулия из французской Высшей технической школы показали, что самая общая теория супергравитации может 1быть записана в одиннадцати измерениях. (При попытках записать теорию супергравитации в двенадцати или тринадцати измерениях возникали математические противоречия.) В конце 1970-х — начале 1980-х годов считалось, что теория супер гравитации вполне могла бы оказаться мифической единой теорией поля. Теория супергравитации даже вдохновила Стивена Хокинга на слова о том, что виден невдалеке «конец теоретической физики» (в ходе его инаутурационной лекции при занятии в Кембриджском университете той самой кафедры математики, которую в свое время возглавлял сам Исаак Ньютон). Но супер гравитация вскоре столкнулась с теми же проблемами, какие погубили и предыдущие теории. Хотя в теории супергравитации было меньше противоречий, чем в обычной теории поля, но в ней не хватало завершенности и было полно потенциальных аномалий. Как и все остальные теории поля (за исключением струнной теории), она рассыпалась на глазах у ученых.

Еще одной суперсимметричной теорией, которая может существовать в одиннадцати измерениях, является теория супермембран. Хотя струна обладает только одним измерением, определяющим ее длину, у супермембраны может быть два или более измерений, поскольку она представляет собой поверхность. Что примечательно, два типа мембран — двубранные и пятибранные — также оказываются непротиворечивыми в одиннадцати измерениях.

Однако и в теории супермембран не обошлось без проблем. Супермембраны широко известны тем, что с ними очень сложно работать, а их квантовые теории действительно расходятся. В то время как скрипичные струны настолько просты, что еще греки-пифагорейцы смогли выработать законы гармонии, работать с мембранами настолько трудно, что даже сегодня ни у кого не возникло удовлетворительной теории музыки, основанной на них. Кроме того, было доказано, что эти мембраны неустойчивы и в конечном итоге распадаются на точечные частицы.

Итак, к середине 1990-х годов у физиков было несколько загадок. Почему существовало пять струнных теорий в десяти измерениях? И почему в одиннадцати измерениях было две теории — супергравитации и супермембран? Более того, все они обладали суперсимметрией. Одиннадцатое измерение

В 1994 году произошел еще один научный прорыв: он произвел эффект разорвавшейся бомбы и вновь изменил весь научный ландшафт. Эдвард Виттен и Пол Таунсенд из Кембриджского университета математически показали, что десятимерная струнная теория на самом деле была приближением к загадочной одиннадцатимерной теории высшего порядка и неизвестного происхождения. Виттен, к примеру, показал, что если мы возьмем мембранную теорию в одиннадцати измерениях и свернем одно измерение, то она превратится в десятимерную струнную теорию типа Па!

Вскоре после этого было обнаружено, что все пять струнных теорий, по сути, приближения одной и той же загадочной одиннадцатимерной теории. Поскольку в одиннадцати измерениях могут существовать мембраны различных типов, Виттен назвал эту новую теорию М-теорией. Но она не только объединяла пять различных струнных теорий: в качестве бонуса она представила еще и объяснение загадки супергравитации.

Если вы помните, теория супергравитации представляла собой одиннадцатимерную теорию, которая содержала в себе всего лишь две частицы с нулевой массой, изначальный гравитон Эйнштейна и его супер симметричный партнер (названный гравитино). Однако в М-теории существует бесконечное количество частиц с различными массами (соответствующими бесконечным вибрациям, которые могут стать рябью на некой одиннадцатимерной мембране). Но М-теория может объяснить существование супер гравитации, если мы предположим, что крошечная часть М-теории (только частицы, не имеющие масс) является старой теорией супергравитации. Иными словами, теория супер гравитации является лишь частным случаем М-теории. Аналогично, если мы возьмем эту загадочную одиннадцатимерную мембранную теорию и свернем одно измерение, то мембрана превратится в струну. Фактически, струнная теория типа II оказывается самым настоящим частным случаем одиннадцатимерной мембранной теории, где свернуто одно измерение! Например, если мы взглянем на сферу в одиннадцати измерениях, а затем одно измерение свернем, то сфера разрушится, а ее экватор превратится в замкнутую струну. Мы видим, что сферу можно рассматривать как ломтик мембраны, если свернуть одиннадцатое измерение до маленького круга.

Десятимерная струна может получиться из одиннадцатимерной мембраны, если мы вырежем или свернем одно измерение. Когда мьг свернем одно измерение, экватор мембраны превратится в струну. Существует пять способов такого сворачивания, что порождает пять различных десятимерных теорий суперструн.

Таким образом, мы обнаруживаем прекрасный и простой способ объединения всей десятимерной и одиннадцатимерной физики в одну-единственную теорию! Это стало концептуальным прорывом.

Я все еще помню потрясение, вызванное этим сенсационным открытием. Я в то время собирался читать лекцию в Кембриджском университете. Пол Таунсенд очень любезно представил меня слушателям. Но до лекции он с большим воодушевлением объяснил мне этот новый научный результат — что в одиннадцатом измерении различные струнные теории могут быть объединены в одну-единственную мембранную теорию. В названии моей лекции фигурировало десятое измерение. До лекции Таунсенд сказал мне о том, что если эти последние научные изыскания окажутся удачными, то название моей лекции будет звучать старомодно.

Я сказал про себя: «Ой-ой-ой». Либо он совершенно спятил, либо физическому сообществу предстоял переворот с ног на голову.

Я не мог поверить в то, что слышал, а потому в свою защиту я обрушил на Таунсенда град вопросов. Я указал на тот факт, что одиннадцатимерные супермембраны, теория, которую он сам помогал формулировать, бесполезны, поскольку с ними трудно иметь дело в математическом отношении, и, что еще хуже, они нестабильны. Он признал существование этой проблемы, но выразил уверенность в том, что эти вопросы будут решены в будущем.

Я также сказал, что одиннадцатимерная супергравитация не была окончательной теорией; она рассыпалась на глазах у ученых, как и все остальные теории, за исключением струнной. Таунсенд спокойно ответил, что это больше не представляет проблемы, поскольку супергравитация была всего лишь приближением к большей теории, все еще окутанной тайной, — М-теории, которая и есть окончательная. По сути, это была струнная теория, переформулированная в одиннадцатом измерении на основе мембран.

Тогда я сказал, что супермембраны неприемлемы по той причине, что никто еще не смог объяснить, каким образом взаимодействуют мембраны, когда они сталкиваются и меняют форму (как сделал я для струнной теории в своей собственной диссертации несколько лет назад). Он признал, что это представляет проблему, но он был уверен, что и она решаема.

Наконец я сказал, что М-теория не является теорией вообще, поскольку ее основные уравнения неизвестны. В отличие от струнной теории (которую можно было выразить на основе простых струнных уравнений поля, записанных мною несколько лет тому назад и содержащих в себе всю теорию), у мембран вообще не было теории поля. Он согласился и с этой точкой зрения. Но все же он был уверен, что уравнения для М-теории в конце концов будут выведены.

У меня закружилась голова. Если Таунсенд был прав, то струнной теории вновь предстояло претерпеть радикальную трансформацию. Мембраны, когда-то отправленные в мусорную корзину истории физики, возрождались.

Источником этой революции является то, что струнная теория продолжает развиваться вспять. Даже сегодня никому не известны простые физические принципы, лежащие в основе всей теории. Мне нравится представлять сложившееся положение как блуждание по пустыне, в ходе которого мы случайно находим маленький красивый камешек. Когда мы счищаем с него песок, мы обнаруживаем, что этот камешек в действительности — лишь вершина пирамиды, похороненной под тоннами песка. После десятилетий изнуряющих раскопок мы находим таинственные иероглифы, потайные комнаты и туннели. Когда-нибудь мы доберемся до первого этажа и попадем внутрь. Мир бран

Одной из оригинальных черт М-теории является то, что она вводит не только струны, но и целый зверинец мембран различных измерений. В таком представлении точечные частицы называются «нуль-бранами», потому что они бесконечно малы и не имеют измерения. Тогда струна «однобранна», поскольку это одномерный объект, определяемый своей длиной. Мембрана «двубранна», подобно поверхности баскетбольного мяча, которая определяется длиной и шириной. (Баскетбольный мяч может двигаться в трех измерениях, но его поверхность лишь двумерна). Наша Вселенная может быть «трехбранной», трехмерным объектом, обладающим длиной, шириной и высотой.

Существует несколько способов, при помощи которых мы можем взять мембрану и свести ее к струне. Вместо того чтобы сворачивать одиннадцатое измерение, мы также можем вырезать ломтик-экватор из одиннадцатимерной мембраны, создав таким образом замкнутую ленту. Если мы уберем толщину этой ленты, то она превратится в десятимерную струну. Петр Хорава и Эдвард Виттен показали, что таким образом мы приходим к гетеротической модели струн.

В сущности, можно показать, что существует пять способов свести одиннадцатимерную М-теорию к десяти измерениям, получив в результате те самые пять теорий суперструн. М-теория дает нам быстрый интуитивный ответ на загадку, почему существует пять струнных теорий. Представьте, что вы стоите на вершине высокого холма и смотрите на равнины. С удачной точки обзора в третьем измерении отдельные части равнины предстают нам объединенными в единую связную картину. Подобным образом, с точки обзора в одиннадцатом измерении, глядя «вниз» на десятимерную равнину, мы видим безумное лоскутное одеяло, сшитое из пяти теорий суперструн — отдельных лоскутков одиннадцатого измерения. Дуальность

Хотя Пол Таунсенд и не смог ответить на большую часть заданных мной вопросов, окончательно в правильности этой идеи меня убедила сила еще одной симметрии. М-теория не только обладает самым большим набором симметрии, известным физике, у нее есть и еще один козырь в рукаве: дуальность, которая дает М-теории сверхъестественную способность вместить пять теорий суперструн в одну теорию.

Рассмотрим электричество и магнетизм, которые подчиняются уравнениям Максвелла. Было давно замечено, что если мы поменяем местами электрическое поле и магнитное, то уравнения останутся почти неизменными. Эта симметрия станет полной, если мы добавим монополи (единичные магнитные полюса) в уравнения Максвелла. Пересмотренные уравнения Максвелла останутся совершенно неизменными, если мы поменяем электрическое поле с магнитным и заменим электрический заряд е на обратный магнитный заряду. Это означает, что электричество (если электрический заряд мал) в точности эквивалентно магнетизму (если магнитный заряд велик). Эта эквивалентность называется дуальностью.

В прошлом эту дуальность считали не более чем научной диковинкой, предметом салонных разговоров, поскольку вплоть до сегодняшнего дня никто не видел монополя. Однако физики посчитали примечательным тот факт, что в уравнениях Максвелла содержалась скрытая симметрия, которой природа, по всей видимости, не пользуется (во всяком случае, в нашем секторе Вселенной).

Подобным образом и пять струнных теорий дуальны по отношению друг к другу. Рассмотрим струнную теорию типа I и гетеро-тическую струнную теорию SO(32). Обычно эти две теории даже не выглядят похожими. Теория типа I основана на разомкнутых и замкнутых струнах, которые могут взаимодействовать пятью различными способами, при этом результатом взаимодействия является расщепление и соединение струн. С другой стороны, струнная теория SO(32) имеет дело только с замкнутыми струнами, которые взаимодействуют только одним способом — подвергаются митозу (подобно клеткам). Струнная теория типа I определяется исключительно для десятимерного пространства, в то время как в струнной теории SO(32) имеется один набор вибраций, определенный в двадцатишестимерном пространстве.

Сложно найти теории, которые были бы в большей степени не похожи друг на друга. Однако, как и в электромагнетизме, эти две теории обладают мощной дуальностью: если увеличить силу взаимодействий, то струны типа I будто по волшебству превращаются в гетеротические струны типа SO(32). (Этот результат настолько неожиданный, что, когда я впервые увидел его, я в изумлении покачал головой. В физике редко находятся две теории, которые кажутся совершенно разными во всех отношениях, в то время как доказывается, что они математически эквивалентны.) Лиза Рэндалл

Возможно, основным преимуществом М-теории над струнной теорией является то, что вместо того, чтобы быть довольно маленькими, эти дополнительные измерения на самом деле довольно велики и их даже можно наблюдать в лаборатории. Согласно струнной теории, шесть из десяти измерений должны быть свернуты в крошечный шарик, многообразие Калаби-Яу, которое слишком мало для того, чтобы его можно было наблюдать при помощи доступных нам сегодня инструментов. Эти шесть измерений были компактифицированы, благодаря чему попасть в дополнительные измерения не представляется возможным, что, конечно, разочарует тех, кто надеялся однажды взмыть в бесконечное гиперпространство, а не просто срезать маршрут через компактифицированное гипер пространство посредством порталов-червоточин.

Однако отличительным свойством М-теории является то, что в ней фигурируют мембраны. Всю нашу Вселенную можно рассматривать в виде мембраны, парящей в намного большей вселенной. В результате этого не все дополнительные измерения необходимо сворачивать в шарик. По сути, некоторые из них могут быть огромны, бесконечны в своей протяженности.

Физиком, попытавшимся разработать это новое представление о Вселенной, стала Лиза Рэндалл из-Гарварда. Несколько похожая на актрису Джоди Фостер, Рэндалл кажется не на своем месте в исключительно мужской профессии физика-теоретика, где царит жестокая конкуренция, а движущей силой является тестостерон. Она разрабатывает идею о том, что если наша Вселенная действительно представляет собой три-брану, парящую в пространстве, содержащем дополнительные измерения, то, возможно, это объясняет тот факт, что гравитация намного слабее трех остальных взаимодействий.

Рэндалл выросла в нью-йоркском Куинсе; в школе она не выказывала особого интереса к физике, зато обожала математику. Я считаю, что, хотя все мы рождаемся учеными, не каждый способен продолжить роман с наукой в более взрослом возрасте. Одной из причин тому является каменная стена математики, встающая перед нами.

Нравится нам это или нет, если мы хотим сделать научную карьеру, то в конце концов приходится выучить «язык природы» — математику. Без математики мы можем только пассивно наблюдать за танцем природы, не принимая в нем активного участия. Как когда-то выразился Эйнштейн: «Чистая математика является своеобразной поэзией логических идей». Разрешите и мне предложить аналогию. Можно любить французскую цивилизацию и литературу, но для того, чтобы понять французское мышление, необходимо выучить французский язык и спряжения французских глаголов. Таким же образом дело обстоит в науке с математикой. Когда-то Галилей написал: «[Вселенную] нельзя прочесть до тех пор, пока мы не выучим языка и не ознакомимся с символами, в которых она написана. Она написана на языке математики, а буквы этого языка — треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без посредства которых понять одно-единственное слово не в человеческих силах».

Математики часто гордятся тем, что из всех ученых они самые непрактичные. Чем более абстрактна и бесполезна математика, тем лучше. Причиной, по которой Рэндалл поменяла сферу научной деятельности, будучи студенткой в Гарварде в начале 1980-х годов, стало то, что ей понравилась возможность физики создавать «модели» Вселенной. Для примера, модель кварков основана на идее о том, что внутри протона находятся три его составляющие — кварка. На Рэндалл произвело большое впечатление то, что простые модели, основанные на физических картинах, могут адекватно объяснить многое во Вселенной.

В 1990-е годы Рэндалл заинтересовалась М-теорией, возможностью того, что вся Вселенная представляет собой мембрану. Она сосредоточила свои усилия на, возможно, наиболее загадочной характеристике гравитации — на том, что сила ее астрономически мала. Ни Ньютон, ни Эйнштейн не обращались к этому фундаментальному, но загадочному вопросу. В то время как сила трех других взаимодействий (электромагнитного, слабого ядерного и сильного ядерного) вполне сравнима, гравитационное взаимодействие существенно им уступает.

В частности, массы кварков намного меньше массы, ассоциируемой с квантовой гравитацией. «Расхождение не маленькое; две шкалы масс разделены шестнадцатью порядками величины! Только теории, способные объяснить этот огромный диапазон, могут претендовать на место впереди Стандартной модели», — говорит Рэндалл.

Тот факт, что сила гравитации столь мала, объясняет, почему звезды так велики. Земля со всеми ее океанами, горами и континентами — это всего лишь крошечная пылинка по сравнению с огромными размерами Солнца. Но в связи с малостью силы гравитации требуется масса целой звезды для такого сжатия водорода, которое преодолевает электрическое отталкивающее взаимодействие протонов. Таким образом, звезды настолько массивны потому, что сила гравитационного взаимодействия так мала в сравнении с тремя остальными.

0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|

Rambler's Top100  @Mail.ru HotLog informer pr cy http://ufoseti.org.ua