Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд - Майкл Уайт

Теория струн зародилась в конце 1960-х, когда с ее помощью пытались описать сильное взаимодействие. Однако успех квантовой хромодинамики оттеснил раннюю версию теории струн на обочину, хотя некоторые математики иногда играли с ней, в основном из интереса к вычислениям, чем в надежде совершить прорыв нашем в понимании фундаментальных сил природы. К середине 1980-х двое ученых, Джоэль Шерк из Парижа и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института, нашли способ описать гравитацию при помощи теории струн. Но на это их коллеги, в сущности, ответили: «Да кому это нужно?» Тогда большинство исследователей гравитации были больше заинтересованы в супергравитации. Для описания сильного взаимодействия теория струн не требовалась, супергравитация представлялась перспективной, к чему тогда возиться со струнами?

Однако к теории струн стали относиться иначе, когда оказалось, что при помощи N = 8 чудовищно трудно проделывать какие бы то ни было вычисления. Даже без неудобных бесконечностей 154 типа частиц помимо гравитона и восьми гравитино не влезали ни в какие математические гроссбухи. По словам Хокинга, в начале 1980-х все считали, что даже у компьютера на один расчет уйдет четыре года, если он будет проверять все частицы, входящие в теорию, и нигде не затаится бесконечность, а вычислять без ошибок будет практически невозможно. Поэтому никто не был готов отказаться от научной карьеры ради какой-то одной выкладки.

Но главной причиной пробуждения интереса к теории струн в середине 1980-х стало понимание, что самые хорошие теории из этого семейства автоматически предполагают гравитон. При остальных попытках построить квантовую теорию гравитации ученые исходили из знания о предполагаемых свойствах гравитона и пытались построить теорию вокруг него, даже если для этого приходилось принять на борт еще 162 частицы. А теория струн позволяла работать с квантовыми уравнениями в общем виде и играть в математические игры – и оказалось, что замкнутые петли струн, описываемые некоторыми уравнениями, обладают именно теми свойствами, которые нужны, чтобы описать гравитацию: в сущности, они и есть гравитоны. Новая вариация на тему струн получила название «теории суперструн» – как же иначе. К 1988 году, когда вышла в свет «Краткая история времени», Хокинг с энтузиазмом поддерживал именно этот путь к суперунификации.

Но у теории суперструн были и недостатки. Во-первых, ученые до сих пор не вполне понимают, что означают ее уравнения. Как показывает пример гравитона, сначала должны появиться уравнения, а затем уже станет ясен их физический смысл, и существует много уравнений, физический смысл которых пока не известен. Это сильно отличается от великих физических открытий на протяжении первых двух третей ХХ века и, разумеется, на протяжении сотен лет со времени Ньютона. Например, Эйнштейн рассказывал, как в один прекрасный день сидел у себя на работе в Берне – и вдруг его осенила мысль, что человек, упавший с крыши, во время падения не будет ощущать силы тяжести. Это внезапное озарение по поводу природы гравитации непосредственно привело Эйнштейна к созданию ОТО: сначала физический смысл и лишь затем – уравнения. В точности то же самое произошло и с Ньютоном: он увидел, как с яблони падает яблоко, и в результате вывел закон всемирного тяготения – то есть разработал теорию гравитации.

Однако в последнее время наука, по крайней мере физика, по всей видимости, устроена иначе. Один из первопроходцев теории суперструн – Майкл Грин из Колледжа Королевы Марии в Лондоне. В 1986 году он опубликовал статью в «Scientific American», где показал, что в теории струн все начинается с деталей – мы пока дожидаемся внезапного озарения, которое подсказало бы нам общую логику теории. Например, появление гравитона с нулевой массой… словно бы случайно и даже загадочно, а хотелось бы, чтобы существование гравитонов естественно следовало из теории после того, как будут надежно сформулированы принципы унификации.^[124]

Есть у теории суперструн и другая странность, которая, похоже, не очень тревожит математиков, зато ясно показывает простым смертным, как далеко отстоят ее идеи от повседневной реальности. Лучшие версии теории суперструн – те, из уравнений которых естественным образом (пусть и загадочно) следует существование гравитона – работают с одной небольшой оговоркой: им нужно пространство-время из 26 измерений. А тогда, если суперструны и в самом деле описывают устройство Вселенной, где спрятаны остальные измерения?

Правда, математики избавляются от «лишних» измерений без особого труда. Для этого они проделывают фокус под названием «компактификация». Чтобы понять, что это такое, взглянем на привычные предметы из окружающего мира с разных расстояний. Когда ученые говорят о компактификации, то обычно предлагают нам представить себе садовый шланг. Вблизи видно, что шланг состоит из двумерного листа, обернутого вокруг третьего измерения. Но стоит отойти подальше и изучить шланг с почтительного расстояния, как он станет похож на одномерную линию. А если взглянуть на эту одномерную линию с торца, она станет и вовсе похожа на точку – объект нулевого измерения.

Возьмем немного другой пример: житейский опыт учит нас, что поверхность Земли далеко не гладкая, она вся в морщинках и складочках, которые мы называем горами и долинами, и они так высоки и глубоки, что в некоторых местах поверхность становится практически непроходимой. Однако с точки зрения астронавта, который смотрит из далекого космоса, поверхность Земли гладкая и правильная.

Может быть, именно поэтому мы и не воспринимаем остальные 22 пространственных измерения. Вероятно, они очень туго свернуты, и мы не видим неровностей. Насколько туго? Грубо говоря, сложная структура пространства стала бы очевидной лишь на масштабах меньше 10^–30 см (для сравнения: типичное ядро атома имеет в поперечнике около 10^–13 см, поэтому ядро примерно в сто миллионов миллиардов раз больше, чем узелки в структуре пространства. Отношение величины атомного ядра к величине узелка в сто тысяч раз больше, чем отношение величины вашего большого пальца к атомному ядру).

Математики объясняют подобную феноменальную компактификацию без малейшего труда, но она все-таки заставляет задаться интересным вопросом: почему двадцать два измерения так сильно свернуты, а остальные три измерения расширялись себе после Большого Взрыва как ни в чем не бывало. И вот что интересно: и знакомый нам закон всемирного тяготения, и уравнения электромагнетизма, которые открыл Максвелл, «действуют» только во вселенной, где есть три пространственных измерения плюс одно временное. Если бы, например, пространственных измерений было больше, планеты не могли бы вращаться вокруг своих звезд по стабильным орбитам. Достаточно было бы легчайшего возмущения – и планета либо упала бы на звезду и сгорела, либо улетела в дальний космос и замерзла. В сущности, как подчеркивает Хокинг, не было бы и стабильных звезд: любое скопление газа и пыли либо рассеялось бы, либо тут же схлопнулось в черную дыру.

Таким образом, законы физики, вероятно, подсказывают нам, что с какого бы количества измерений все ни начиналось, все измерения, кроме трех пространственных и одного временного, всегда оказываются нестабильными и компактифицируются. Более того, в последнее время некоторые исследования показывают, что коллапс «лишних» 22 измерений, вероятно, вызван той же самой движущей силой, которая запустила расширение остальных трех. Все это, разумеется, связано с идеей антропной космологии, о которой мы говорили в главе 13.