Кратчайшая история времени - Стивен Хокинг

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.

Почему мы не наблюдаем все эти дополнительные измерения, если они действительно существуют? Почему нашему восприятию доступны только три пространственных измерения и одно измерение времени? Вероятный ответ состоит в том, что другие измерения не похожи на те, к которым мы привыкли. Они свернуты до очень небольшого размера, что-то вроде одной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доли сантиметра (10— 30 см ). Это так мало, что просто незаметно для нас: мы фиксируем только одно измерение времени и три измерения пространства, в которых пространство-время практически плоское. Чтобы представить себе, как это получается, вообразите поверхность соломинки. Посмотрев на нее с близкого расстояния, вы увидите, что поверхность двумерная. То есть положение точки на соломинке описывается двумя числами — расстоянием, измеренным вдоль соломинки, и расстоянием, измеренным поперек ее длины, по окружности. Но поперечный размер намного меньше продольного. Вот почему издали соломинка выглядит лишенной толщины, одномерной и кажется, что задать положение точки на ней можно одним, продольным измерением. Приверженцы теории струн утверждают, что аналогичным образом обстоит дело и с пространством-временем: в ничтожно малых масштабах оно десятимерное и сильно искривленное, но в больших масштабах ни искривления, ни дополнительных измерений не наблюдается.

Если описанная картина верна, это плохая новость для людей, мечтающих о космических путешествиях: дополнительные измерения, по-видимому, слишком малы, чтобы вместить космический корабль. Однако это описание ставит большой вопрос и перед учеными: почему только некоторые, а не все измерения свернуты в маленький шарик? Предполагается, что в молодой Вселенной все измерения были сильно искривлены. Почему одно временное и три пространственных измерения распрямились, а другие остаются тесно свернутыми?

Один из возможных ответов — антропный принцип, который можно сформулировать следующим образом: мы видим Вселенную такой, какая она есть, потому что мы существуем. Имеется две версии антропного принципа — слабая и сильная. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая невообразимо велика или даже бесконечна в пространстве и/или времени, условия, необходимые для развития разумной жизни, складываются только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа, населяющие такие области, не должны удивляться тому, что их местопребывание во Вселенной удовлетворяет тем условиям, которые необходимы для жизни. В каком-то смысле они подобны богачу, живущему в фешенебельном районе и не сталкивающемуся с нищетой.

Некоторые теоретики идут намного дальше и предлагают сильную версию принципа. Согласно этой последней существует или много различных вселенных, или много различных областей одной Вселенной, каждая из которых обладает собственной начальной конфигурацией и, возможно, собственным набором физических законов. В большинстве таких вселенных физические условия не способствуют развитию сложных организмов, и лишь немногие вселенные, подобные нашей, стали колыбелью разумных существ, задавшихся вопросом: почему Вселенная такова, какой мы ее видим? Тогда ответ прост: окажись она другой, нас бы здесь не было![18]

Немногие возьмутся оспаривать действенность или пользу слабого антропного принципа, но сильный принцип в качестве объяснения наблюдаемого состояния Вселенной может встретить множество возражений. Например, какой смысл может вкладываться в утверждение, что все эти различные вселенные существуют? Если они действительно обособлены друг от друга, тогда происходящее в другой вселенной не может повлечь никаких последствий, которые были бы заметны в нашей собственной Вселенной. Значит, следуя принципу экономии, мы должны исключить их из нашей теории. Если же это лишь различные области одной Вселенной, в каждой из них должны действовать одни и те же физические законы, потому что иначе нельзя было бы непрерывно перемещаться из одной области в другую. В последнем случае единственное различие между областями заключалось бы в их начальных конфигурациях, так что сильный антропный принцип свелся бы к слабому.

Антропный принцип дает один из возможных ответов на вопрос, почему дополнительные измерения теории струн свернуты. Двух пространственных измерений, похоже, недостаточно для развития таких сложных существ, как мы. Например, двумерные животные, обитающие на одномерной Земле, должны были бы перебираться друг через друга, чтобы разойтись. Если бы двумерное существо съело нечто такое, что не смогло бы полностью переваривать, оно должно было бы извергнуть непереваренные остатки наружу тем же путем, каким проглотило, потому что наличие сквозного прохода через тело делило бы такое существо на две отдельные части: наше двумерное существо просто развалилось бы. Точно так же трудно вообразить возможность кровообращения в двумерном существе.

Наличие более чем трех пространственных измерений также создало бы проблемы (рис. 36). В этом случае гравитационное притяжение между двумя телами уменьшалось бы с их удалением друг от друга быстрее, чем в случае трех измерений. (В трех измерениях притяжение ослабевает вчетверо при удвоении расстояния. В четырех измерениях оно уменьшалось бы при этом в восемь раз, в пяти измерениях — в шестнадцать и так далее.) Это чревато тем, что орбиты обращающихся вокруг Солнца планет, таких как Земля, станут неустойчивыми: малейшее отклонение от круговой орбиты (например, вызванное гравитационным притяжением других планет) привело бы к тому, что Земля, двигаясь по спирали, стала бы удаляться от Солнца или приближаться к нему. Мы бы или замерзли, или сгорели. В мире более чем трех пространственных измерений это же изменение поведения силы тяготения с расстоянием в действительности не позволило бы самому Солнцу существовать в устойчивом состоянии, когда давление уравновешивает силу тяжести. Солнце либо рассеялось бы в пространстве, либо сколлапсировало, превратившись в черную дыру. В любом случае оно не могло бы служить источником тепла и света для жизни на Земле. В масштабах атома электрические силы, удерживающие электроны на орбитах вокруг ядра, вели бы себя подобно гравитации. Таким образом, электроны, перемещаясь по спиралям, либо покидали бы атом, либо врезались бы в его ядро. Так или иначе, существование атомов в известном нам виде было бы невозможно.

В пространстве, имеющем больше трех измерений, планетные орбиты были бы нестабильными: планеты либо падали бы на Солнце, либо ускользали бы от его притяжения. 

Итак, представляется очевидным, что жизнь — во всяком случае, известная нам — может существовать лишь в тех областях пространства-времени, где только одно измерение времени и три измерения пространства не свернуты до ничтожно малых размеров. Это означает, что [для объяснения наблюдаемой размерности пространства-времени] можно было бы обратиться к слабому антропному принципу, если бы удалось доказать, что теория струн, по крайней мере, допускает существование подобных областей Вселенной — а она, похоже, такое допускает. Возможно, существуют другие области Вселенной или другие вселенные (что бы это ни означало), в которых все измерения свернуты или развернуто больше четырех измерений, но в таких областях не будет разумных существ, которые смогли бы наблюдать иное число измерений.

Другая проблема с теорией струн состоит в том, что есть по меньшей мере пять различных ее версий (две теории открытых струн и три — замкнутых) и миллионы способов, которыми могут быть согласно теории свернуты дополнительные измерения. Почему нужно выбрать только одну теорию струн и один вид свертывания? Какое-то время казалось, что ответа на этот вопрос нет, и наука топталась на месте. Но вот, начиная примерно с 1994 г ., ученые стали выявлять свойство, получившее название дуальности: различные теории струн и способы свертывания дополнительных измерений вели к одним и тем же результатам в четырех измерениях. Более того, помимо частиц, которые занимают отдельную точку в пространстве, и струн, которые являются линиями, были найдены другие объекты, названные р—бранами и занимающие в пространстве объемы с двумя и более измерениями. (Можно считать, что частица есть 0-брана, струна — 1-брана, но кроме них есть еще р —браны, где р может принимать значения от 2 до 9. 2-брану можно рассматривать как некое подобие двумерной мембраны. Труднее представить себе браны с большим числом измерений!) Похоже, сейчас имеет место некое своеобразное равноправие (в смысле равенства голосов) теорий супергравитации, струн р —бран: они, кажется, согласуются друг с другом, но ни одну из них нельзя считать основной. Все они выглядят как различные приближения к некой более фундаментальной теории, причем каждая из них верна в своей области.