Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение - Митио Каку

Нынешний интерес к теории струн начался с работы Джона Шварца из Калифорнийского технологического института и его соавтора Майкла Грина из лондонского Колледжа королевы Марии. Прежде считалось, что у концепции струн есть недостатки, препятствующие разработке полноценной самосогласованной теории. Но в 1984 г. эти два физика доказали, что струна отвечает всем условиям самосогласованности. В итоге молодые ученые наперегонки бросились решать задачи, связанные с этой теорией, в надежде заслужить признание. К концу 1980-х гг. в кругу физиков началась настоящая «золотая лихорадка». (Конкуренция между сотнями самых талантливых физиков-теоретиков мира, которые занимаются этими вопросами, резко обострилась. Недавно на обложку журнала Discovery был помещен портрет специалиста в области теории струн Димитриса Нанопулоса из Техаса. Ученый открыто заявлял о своих притязаниях на Нобелевскую премию по физике. Редко подобные страсти вспыхивают из-за абстрактной теории.)

Почему именно струны?

Однажды мы с одним нобелевским лауреатом в области физики обедали в китайском ресторане Нью-Йорка. За кисло-сладкой свининой в разговоре всплыла тема теории суперструн. Внезапно мой собеседник пустился в пространные рассуждения о том, почему теория суперструн – ошибочный путь. Это погоня за химерами, утверждал он. В истории физики никогда не было ничего подобного, идея чересчур сумасбродна, на его взгляд. Она слишком чужда и ортогональна всем предшествующим тенденциям в науке. Длительный спор свелся к единственному вопросу: почему именно струны? Почему не вибрирующие твердые тела или сгустки?

Мой собеседник напомнил, что в мире физики вновь и вновь используются одни и те же концепции. Природа, подобно произведениям Баха или Бетховена, часто начинает с основной темы, а затем на протяжении всей симфонии повторяет ее бесчисленные вариации. Согласно этому критерию теория струн не является основополагающей для природы.

К примеру, концепция орбит дает о себе знать в природе постоянно и в разных формах: со времен появления трудов Коперника орбиты служат лейтмотивом, который постоянно встречается в природе в различных вариантах – от самой большой галактики до атома и мельчайшей субатомной частицы. Аналогично излюбленная тема в природе – поля Фарадея. Поля пригодны для описания магнетизма галактики и гравитации, а также для электромагнитной теории Максвелла, метрической теории Римана и Эйнштейна, полей Янга – Миллса, входящих в Стандартную модель. По сути дела, теория поля развилась как универсальный язык субатомной физики, а может, и всей Вселенной. Это самое мощное оружие в арсенале теоретической физики. Все известные формы материи и энергии выражены в показателях теории поля. Закономерности повторяются постоянно, как тема и ее вариации в симфонии.

А струны? Струны вовсе не выглядят структурой, которой природа отдает предпочтение в соответствии с высшим замыслом. Мы не видим струн в космосе. Как объяснил мой коллега, струн мы вообще нигде не видим.

Но, если задуматься, станет ясно, что природа отвела струнам особую роль, как основному строительному материалу для других форм. К примеру, характерная особенность жизни на Земле – струновидная молекула ДНК, содержащая сложную информацию и код самой жизни. Когда возникает вопрос о строительстве всего живого, а также материи на субатомном уровне, струны выглядят идеальным ответом. И в том и в другом случае нам требуется уложить большой объем информации в сравнительно простую и воспроизводимую структуру. Отличительная особенность струны в том, что это одно из самых компактных хранилищ для больших объемов информации, предназначенной для воспроизведения.

Для живых существ природа предназначила двойные цепочки молекулы ДНК, которые могут раскручиваться и образовывать дубликаты друг друга. Кроме того, у нас в организме содержатся миллиарды миллиардов белковых цепочек, образованных аминокислотами как строительным материалом. В каком-то смысле наши тела можно рассматривать как богатейшие коллекции цепочек – молекул протеина, окружающих наши кости.

«Струнный квартет»

В настоящее время самой удачной версией теории струн считается концепция четырех физиков из Принстона – Дэвида Гросса, Эмиля Мартинеса, Джеффри Харви и Райана Рома, которых иногда называют «принстонский струнный квартет». Самый старший из них Дэвид Гросс. Вопросы, которые Виттен задает на семинарах в Принстоне тихим голосом, можно и не услышать, зато громкий, гулкий и требовательный голос Гросса слышен отчетливо. Всякий, кто проводит семинары в Принстоне, как огня боится острых вопросов, которыми сыплет Гросс. Примечательно, что обычно все они попадают в цель. Гросс и его соавторы предложили так называемую гетеротическую струну. Сегодня из всех вариантов теории Калуцы – Клейна, предложенных в прошлом, именно она с наибольшей вероятностью способна объединить все законы природы в одну теорию.

Гросс убежден, что теория струн решает задачу превращения «дерева» в «мрамор»: «Создание материи из геометрии – в каком-то смысле именно этим и занимается струнная теория. Ее можно воспринимать как таковую, особенно гетеротическую струну – по сути дела, теорию гравитации, в которой частицы материи, а также взаимодействия природы возникают так же, как гравитация возникает из геометрии».

Как мы уже подчеркнули, наиболее примечательная особенность теории струн состоит в том, что в нее автоматически входит теория гравитации Эйнштейна. В сущности, гравитон (квант гравитации) возникает как наименьшая вибрация замкнутой струны. Если теории Великого объединения упорно избегают любых упоминаний о теории гравитации Эйнштейна, то теория суперструн требует включения этой эйнштейновской теории. К примеру, если мы откажемся рассматривать теорию гравитации Эйнштейна как своего рода вибрацию струны, тогда эта теория станет непоследовательной и бесполезной. Именно по этой причине Виттен заинтересовался теорией струн. В 1982 г. он прочел обзорную статью Джона Шварца и был поражен, когда понял, что гравитация вытекает из теории суперструн уже в силу требования самосогласованности. Он вспоминал, что за всю жизнь не испытывал «более сильного интеллектуального трепета». Виттен говорит: «Теория струн на редкость притягательна, так как мы вынуждены иметь дело с гравитацией. Во все известные и последовательные теории струн входит гравитация, так что если в квантовой теории поля в том виде, в каком она нам сейчас известна, гравитация невозможна, в теории струн она обязательна»{62}.

Гроссу хочется верить, что, если бы Эйнштейн был жив, он оценил бы теорию суперструн. Ему понравилось бы, что красота и простота теории суперструн в конечном итоге исходят из геометрического принципа, точная природа которого до сих пор неизвестна. Гросс утверждает: «Эйнштейн был бы доволен по меньшей мере целью, если не ее реализацией… Ему понравилось бы, что в основе лежит геометрический принцип, которого, к сожалению, мы не понимаем»{63}.

Виттен даже рискует заявлять, что «все по-настоящему великие идеи в физике» – «побочные продукты» теории суперструн. Он имеет в виду, что в теорию суперструн укладываются все крупные достижения теоретической физики. И даже утверждает, что открытие Эйнштейном общей теории относительности раньше теории суперструн – «просто случайное событие в развитии планеты Земля». По мнению Виттена, где-то в космосе «другие цивилизации Вселенной» вполне могли открыть теорию суперструн первой, а из нее вывести общую теорию относительности{64}.

Компактификация и красота

На теорию струн в физике возлагают столько надежд по той причине, что она дает простые объяснения истоков симметрии, присутствующей и в физике частиц, и в общей теории относительности.

В главе 6 мы видели, что супергравитация неперенормируема и слишком мала, чтобы вместить симметрию Стандартной модели. Таким образом, она не самосогласованна и не дает реалистичного описания известных частиц. И тем и другим свойством обладает теория струн. Как мы вскоре убедимся, она решает проблему бесконечных величин, обнаруженную в квантовой теории гравитации, и дает конечную теорию квантовой гравитации. Уже за одно это теорию струн следует считать серьезной претенденткой на звание теории Вселенной. Но у нее есть и дополнительное преимущество. Если компактифицировать некоторые измерения теории струн, выяснится, что она соотносима с симметрией Стандартной модели и даже теориями Великого объединения.

Гетеротическая струна представляет собой замкнутую струну, для которой характерны два типа вибраций – по часовой и против часовой стрелки, – которые рассматриваются отдельно. Колебания по часовой стрелке существуют в 10-мерном пространстве, колебания против часовой стрелки – в 26-мерном пространстве, в котором 16 измерений компактифицированы. (Как мы помним, в исходной пятимерной теории Калуцы пятое измерение компактифицировали, свернув его в круг.) Своим названием гетеротическая струна обязана тому факту, что колебания по часовой стрелке и против нее существуют в двух разных измерениях, но в сочетании дают единую теорию суперструн. Вот почему ее название происходит от греческого слова гетерозис, означающего «гибридная сила».