Кратчайшая история времени - Стивен Хокинг

Перенормировка вводит новые бесконечности, которые математически сокращаются с бесконечностями, возникающими в теории. Однако это сокращение не обязательно должно быть полным. Можно выбрать новые бесконечности так, чтобы при сокращении получался небольшой остаток. Эти остатки называются перенормированными величинами.

Хотя подобная операция довольно сомнительна с точки зрения математики, она, кажется, все-таки работает. Ее применение в теориях сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий дает предсказания, которые невероятно точно согласуются с наблюдениями. Тем не менее использование перенормировки для поисков полной физической теории имеет серьезный недостаток, поскольку означает, что массы частиц и силы взаимодействий нельзя предсказать теоретически, а следует подгонять под результаты экспериментов. Попытки применить перенормировку для устранения квантовых бесконечностей из общей теории относительности пока позволили привести к желаемому виду только две величины — силу тяготения и космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в свои уравнения, будучи уверен, что Вселенная не расширяется (см. гл. 7). Как выясняется, их корректировки недостаточно для избавления от всех бесконечностей. Поэтому квантовая теория гравитации продолжает предсказывать, что некоторые величины, например искривление пространства-времени, бесконечны, тогда как на практике они вполне поддаются измерению и оказываются конечными! Ученые давно подозревали, что данное обстоятельство станет преградой на пути включения принципа неопределенности в общую теорию относительности, но в 1972 г . их опасения были наконец подкреплены детальными вычислениями. Четырьмя годами позже было предложено возможное решение проблемы, названное «супергравитацией». К несчастью, выяснение того, оставляет ли супергравитация место для каких-либо бесконечностей, требовало настолько сложных и трудоемких вычислений, что никто за них не взялся. По предварительным оценкам, даже компьютеру на это потребовались бы годы, и очень высока вероятность того, что в подсчеты вкралась бы по крайней мере одна ошибка, а вероятно, и больше. Так что удостовериться в правильности результата можно было бы только в том случае, если бы кто-то еще повторил вычисления и получил тот же самый итог, что представлялось крайне маловероятным! Несмотря на эти проблемы и на то, что частицы, фигурирующие в теориях супергравитации, похоже, никак не соотносились с известными науке частицами, большинство ученых полагало, что супергравитация поддается перенормировке и, вероятно, является решением проблемы объединения физики. Она казалась наилучшим способом объединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Но вот, в 1984 г ., произошел знаменательный поворот в сторону семейства теорий, называемых теориями струн.

До появления теорий струн считалось, что каждая из фундаментальных элементарных частиц может находиться в определенной точке пространства. В теориях струн фундаментальные объекты не точечные частицы, а протяженные. Они имеют длину, но никаких других измерений, подобно струне с бесконечно малым поперечным сечением. Эти объекты могут иметь концы (так называемые открытые струны) или сворачиваться в кольцо (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени занимает одну точку пространства. Струна же в каждый момент времени занимает в пространстве линию. Две струны могут слиться в одну; в случае открытых струн просто соединяются их концы, а в случае закрытых — это напоминает соединение штанин в одной паре брюк[15]. Точно так же одна струна может разделиться на две.

Если элементарные объекты во Вселенной представляют собой струны, что же такое тогда точечные частицы, которые мы, похоже, наблюдаем в экспериментах? В теориях струн то, что ранее считалось различными точечными частицами, рассматривается как различные виды волн, распространяющихся по струнам, вроде тех, что пробегают по вибрирующей бечевке воздушного змея. Сами же струны вместе со своими колебаниями настолько малы, что даже лучшие наши технологии не способны выявить их форму, потому-то во всех наших экспериментах они и ведут себя как крошечные, бесформенные точки. Представьте себе, что вы рассматриваете крошечную пылинку: вблизи или под лупой, вы можете увидеть, что она имеет неправильную или даже струноподобную форму, но вот на расстоянии пылинка выглядит лишенной характерных черт точкой.

В теории струн испускание или поглощение одной частицы другой соответствует делению или слиянию струн. Например, в физике элементарных частиц гравитационное воздействие Солнца на Землю объясняется тем, что частицы солнечного вещества испускают гравитоны, частицы—переносчики взаимодействия, а частицы вещества Земли их поглощают[16]. В теории струн этот процесс представляется Н-образной диаграммой, напоминающей соединение труб (теория струн вообще чем-то напоминает водопроводное дело). Две вертикальные палочки буквы «Н» соответствуют частицам вещества Солнца и Земли, а горизонтальная перекладина — гравитону, который перемещается между ними (рис. 35).

В теории струн происхождение дальнодействующих сил связывается скорее с соединением труб, чем с обменом частицами—переносчиками взаимодействий. 

Теория струн имеет любопытную историю. Первоначально она была сформулирована в конце 1960-х гг. в ходе поисков теории сильного взаимодействия. Идея состояла в том, что такие частицы, как протон и нейтрон, можно рассматривать как колебания струны. Сильное взаимодействие между частицами соответствовало бы отрезкам струны, соединяющим другие струны, как в паутине. Чтобы эта теория предсказывала наблюдаемую величину сильного взаимодействия между частицами, струны должны были походить на резиновые жгуты, натянутые с усилием около десяти тонн.

В 1974 г. Жоэль Шерк из Парижа и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали статью, в которой показали, что теория струн может описать природу гравитационного взаимодействия, но только если натяжение струны составит около тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов тонн (единица с тридцатью девятью нулями). В обычных масштабах длины теория струн давала те же предсказания, что и общая теория относительности, но на очень маленьких расстояниях — меньше тысячной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доли сантиметра (сантиметра, деленного на единицу с тридцатью тремя нулями) — их предсказания расходились. Статье не уделили большого внимания, но потому лишь, что в тот период большинство ученых отказались от истолкования сильного взаимодействия в терминах теории струн в пользу теории кварков и глюонов, которая, казалось, куда более соответствовала наблюдениям. Шерк умер при трагических обстоятельствах (он страдал диабетом и впал в кому, когда вокруг не было никого, кто мог бы ввести ему инсулин). Так что Шварц остался фактически единственным поборником теории струн, причем теперь уже струн с гораздо более высоким предполагаемым натяжением.

В 1984 г . интерес к струнам внезапно возродился, и тому было две причины. С одной стороны, не увенчались особым успехом попытки доказать, что супергравитация не содержит бесконечностей и способна объяснить существование наблюдаемых нами видов элементарных частиц. С другой, увидела свет новая статья Джона Шварца, на сей раз написанная совместно с Майком Грином из Колледжа королевы Марии в Лондоне. Эта работа показывала, что теория струн способна объяснить существование экспериментально наблюдавшихся частиц, которые обладают своего рода врожденной «леворукостью». (Поведение большинства частиц не изменилось бы, если бы экспериментальную установку заменили ее зеркальным отражением; но поведение данных частиц меняется. Как будто они являются левшами или правшами, а не владеют одинаково обеими руками.) Как бы то ни было, большое число ученых вскоре начало работать над теорией струн, и была создана ее новая версия, которая, казалось, могла объяснить существование наблюдаемых нами частиц.

Теории струн также ведут к бесконечностям, но считается, что в правильной версии теории все они сократятся (хотя это еще неизвестно наверняка). Гораздо серьезнее другая проблема: теории струн совместимы только с пространством-временем, имеющим либо десять, либо двадцать шесть измерений вместо обычных четырех!

Конечно, наличие у пространства-времени дополнительных измерений сделалось общим местом научной фантастики. Действительно, они дают идеальный способ преодоления ограничений, которые общая теория относительности накладывает на сверхсветовые перемещения и путешествия в прошлое (см. гл. 10). Идея заключается в том, чтобы добраться к цели коротким путем через дополнительные измерения. Это можно представить себе следующим образом. Вообразите, что пространство, в котором мы существуем, имеет только два измерения и изогнуто подобно поверхности якорного кольца или бублика[17]. Если вы находитесь на внутренней стороне поверхности и хотите добраться в диаметрально противоположную точку кольца, вам придется двигаться к цели по кругу на внутренней поверхности кольца. Но если бы вы могли выйти в третье измерение, вам удалось бы покинуть поверхность кольца и срезать путь.