Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории - Брайан Грин

В теории струн мы достигаем следующего уровня глубины при объяснении явлений, поскольку все описанные принципы симметрии, а также суперсимметрия возникают из структуры этой теории. В самом деле, если бы ход истории был иным и физики открыли бы теорию струн несколькими столетиями раньше, можно предположить, что все эти принципы симметрии были бы открыты при изучении теории струн. Однако не стоит забывать, что в то время как принцип эквивалентности даёт нам понимание того, почему существует гравитация, а калибровочные симметрии дают понимание того, почему существуют негравитационные силы, в контексте теории струн эти симметрии есть лишь следствия. И хотя их значимость никоим образом не преуменьшается, они — всего лишь часть выводов, содержащихся в гораздо большей теоретической структуре.

Данное обсуждение со всей ясностью приводит к следующему вопросу: является ли сама теория струн необходимым следствием некоторого более широкого принципа, — возможно, но необязательно, принципа симметрии, — в том же самом смысле, в котором принцип эквивалентности с неизбежностью приводит к общей теории относительности, а калибровочные симметрии приводят к негравитационным взаимодействиям? К моменту написания данной книги ответ на этот вопрос никому не известен. Чтобы осознать его важность, достаточно представить Эйнштейна, пытающегося сформулировать общую теорию относительности без тех счастливых идей, которые посетили его в Бернском патентном бюро в 1907 г. и привели к принципу эквивалентности. Нельзя утверждать, что формулировка общей теории относительности была бы невозможна, однако определённо она стала бы чрезвычайно затруднительной. Принцип эквивалентности предоставляет сжатый, систематичный и мощный организующий подход для анализа гравитационного взаимодействия. К примеру, описание общей теории относительности, которое мы дали в главе 3, существенным образом опирается на принцип эквивалентности, а роль последнего в полном математическом формализме теории ещё более критична.

В настоящее время теоретики находятся в положении Эйнштейна, утратившего принцип эквивалентности. С момента проницательного предположения Венециано в 1968 г. теория собиралась по кускам, открытие за открытием, революция за революцией. Однако центральный организующий принцип, который охватывает эти открытия, а также другие свойства теории в рамках одного универсального и систематического подхода, который делает существование каждого ингредиента абсолютно неизбежным, всё ещё не найден. Открытие этого принципа было бы центральным событием в развитии теории струн, так как это, вероятно, раскрыло бы внутренние механизмы теории с недостижимой ранее ясностью. Конечно, нет гарантии, что такой фундаментальный принцип существует, однако эволюция физики в течение последнего столетия даёт теоретикам основания надеяться, что он всё-таки есть. Так как мы рассматриваем следующую стадию развития теории струн, нахождение её «принципа безальтернативности» — той базовой идеи, из которой вся теория появится с необходимостью, — имеет высший приоритет.{108}

Что есть пространство и время на самом деле, и можем ли мы без них обойтись?

В предыдущих главах мы часто вольно использовали понятия пространства и пространства-времени. В главе 2 мы описали эйнштейновское понимание того, что пространство и время нерасторжимо перемешаны благодаря неожиданному факту, что движение объекта в пространстве влияет на его перемещение во времени. В главе 3 мы углубили наше понимание роли пространства-времени в описании космоса посредством общей теории относительности, которая показывает, что гравитационное взаимодействие между разными областями вызвано изменениями детальной структуры пространства-времени. Как обсуждалось в главах 4 и 5, необходимость учёта сильных квантовых флуктуаций в микромире привела к необходимости построения новой теории — так была открыта теория струн. И, наконец, в последующих главах мы видели, что согласно теории струн Вселенная имеет больше измерений, чем мы наблюдаем в повседневной жизни: некоторые измерения свёрнуты в крошечные, но сложные многообразия, способные претерпевать чудесные превращения, в которых их ткань прокалывается, рвётся и затем восстанавливает сама себя.

Мы попытались проиллюстрировать эти идеи на рис. 3.4, 3.6 и 8.10, представляя структуру пространства и пространства-времени в качестве куска материала, из которого сшита Вселенная. Эти рисунки обладают хорошей наглядностью и регулярно используются самими физиками в качестве наглядных пособий в практической работе. Хотя иллюстрации такого рода и дают постепенное ощущение понимания, всё же напрашивается вопрос: «Что мы реально имеем в виду, говоря о структуре Вселенной?».

Это глубокий вопрос, который в той или иной форме был предметом дебатов в течение сотен лет. Ньютон объявлял пространство и время вечными и неизменными ингредиентами в строении космоса, исходными структурами, лежащими за пределами вопросов и объяснений. В «Началах» Ньютон писал: «I. Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. II. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным».{109}

Готфрид Лейбниц и другие шумно спорили, провозглашая, что пространство и время — всего лишь регистрационные приборы для удобной записи соотношений между объектами и событиями во Вселенной. Положение объекта в пространстве и во времени имеет смысл только в сравнении с другим объектом. Пространство и время есть лишь словарь для разговора об этих соотношениях, ничего более. Несмотря на то, что точка зрения Ньютона, поддержанная его тремя экспериментально проверенными законами движения, господствовала в течение более двух сотен лет, концепция Лейбница, развитая австрийским физиком Эрнстом Махом, гораздо ближе к современной картине. Как мы видели, специальная и общая теория относительности Эйнштейна решительно устранили понятие абсолютного и универсального пространства и времени. Однако можно спросить, является ли геометрическая модель пространства-времени, играющая центральную роль в общей теории относительности и теории струн, всего лишь удобной формулировкой для описания пространственных и временны́х отношений между различными событиями, или необходимо считать, что мы на самом деле погружены во что-то, когда говорим о нашем нахождении внутри ткани пространства-времени?

Хотя мы вступаем на территорию догадок, теория струн действительно предлагает ответ на этот вопрос. Гравитон, мельчайший сгусток гравитационных сил, является одним из частных примеров колебаний струны. И так же, как порождающее видимый свет электромагнитное поле состоит из огромного количества фотонов, гравитационное поле состоит из огромного числа гравитонов, т. е. из огромного числа мод колебаний струн, соответствующих этим частицам. В свою очередь, гравитационные поля кодируются искривлениями ткани пространства-времени, и поэтому мы должны отождествить структуру пространства-времени с колоссальным числом струн, методично колеблющихся в этой моде. На языке теории поля такой огромный организованный массив вибрирующих аналогичным образом струн известен как когерентное состояние струн. Это довольно поэтичный образ — струны как нити ткани пространства-времени, — но нужно заметить, что его строгая формулировка всё ещё не разработана до конца.

Тем не менее описание ткани пространства-времени в такой сшитой из струн форме на самом деле приводит к следующему вопросу. Обычный кусок ткани есть конечный продукт работы ткача, который аккуратно соединил вместе отдельные нити, являющиеся исходным материалом текстильных изделий. Поэтому можно спросить, не существует ли исходного материала для ткани пространства-времени, т. е. такой конфигурации струн космической структуры, в которой они ещё не срослись в организованную форму, узнаваемую нами в образе пространства-времени. Заметим, что не вполне корректно представлять это состояние как беспорядочную массу отдельных колеблющихся струн, которые затем должны сшиться вместе в упорядоченное целое, поскольку наше обычное восприятие заранее использует понятия пространства и времени — пространства колеблющихся струн и текущего времени, благодаря которым мы можем наблюдать изменение конфигурации от одного момента к последующему. В исходном состоянии, когда создающие структуру пространства-времени струны ещё не включились в упорядоченный, когерентный танец колебаний, пространства и времени не существует. Сам наш язык слишком груб, чтобы говорить о таких вещах: в нём нет слов, с помощью которых можно описать то, что происходило до этого танца. Можно, в каком-то смысле, представлять себе исходные несвязанные струны «осколками» пространства-времени, которые породят знакомое пространство-время лишь после того, как включатся в резонансные колебания определённого вида.