Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Мюррей был королём физики, когда я впервые встретился с ним в Корал Гейблс, штат Флорида, в 1970 году. В то время кульминацией сезона теоретической физики была конференция в Корал Гейблс. А кульминацией конференции была лекция Мюррея. Для меня Корал Гейблс оказался первой большой конференцией, на которую я был приглашен не в качестве лектора, а в качестве слушателя. Мюррей начал свою лекцию с темы спонтанного нарушения дилатационной симметрии – одной из проблем, с которой у него были проблемы. Едва ли я смогу вспомнить саму лекцию, но очень хорошо помню, что произошло потом: мы с Мюрреем застряли в лифте.

Я был тогда совершенно неизвестен, в то время как всё физическое сообщество боготворило Мюррея. Разумеется, застряв с ним в лифте, я потерял дар речи.

Чувствуя необходимость как-то начать разговор, Мюррей поинтересовался, чем я занимаюсь. Я испуганно ответил: «Я работаю над теорией адрона, представляющей его как своего рода эластичный шнур, как резинку». В следующий ужасный момент, который я не забуду никогда, он начал смеяться. И это был не короткий смешок, а громогласный гомерический хохот. Я чувствовал себя презренным червём. Затем двери лифта открылись, и я позорно уполз с горящими ушами.

После этого я не встречался с Мюрреем почти два года. Следующая наша встреча состоялась на другой конференции, в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, сокращённо Фермилаб. Эта конференция была очень представительной: около тысячи участников, среди которых были наиболее влиятельные теоретики и экспериментаторы со всего мира. И в этот раз я снова был слушателем.

В день открытия конференции, когда мы с группой друзей ожидали начала первой лекции, к нам неторопливо подошёл Мюррей. При всех он сказал: «Мне очень жаль, что я смеялся над вами в лифте в тот день. Я думаю, что задача, над которой вы работаете, – это просто фантастика, и я посвящу ей большую часть моей лекции. Давайте присядем где-нибудь и поговорим об этом, когда у нас выдастся свободная минутка». В этот момент я из червя превратился в принца: сам король оказал мне свою милость!

В течение пары дней после этого, встречая Мюррея, я спрашивал: «Не настало ли время нам поговорить?» И каждый раз он отказывался, ссылаясь на какую-нибудь важную встречу.

В последний день конференции я стоял в длинной очереди к турагенту. Мне нужно было поменять авиабилет, и я ждал своей очереди уже более часа. Наконец, когда передо мной в очереди оставалось только два или три человека, ко мне подошёл Мюррей со словами: «Я свободен! Мы можем поговорить прямо сейчас. У меня есть пятнадцать минут». «О’кей, – сказал я себе. – Это твой шанс. Сделаешь всё правильно, и ты – принц. Сделаешь что-то не так, и ты – наживка для рыбы».

Мы сели за свободный столик, и я начал объяснять, как моя новая «резиновая» теория связана с его и Фейнмана идеями. Я собирался начать с диаграммы рыболовной сети. Помню, я сказал: «Я начну с партонов».

«Партоны? Партоны… Какие, к дьяволу, партоны? Патроны? Пистоны? Вы хотите вставить мне пистон? Так, что ли?» Я понял, что совершил непростительную ошибку, но не мог сообразить какую. Я пытался объяснить, но всё, что я получал в ответ, – это «Патроны? Что это такое?» Так прошли четырнадцать из пятнадцати отведённых мне минут, пока он не спросил: «Патроны – они имеют заряд?» Я ответил: «Да». – «Принадлежат ли они группе SU(3)?» Я снова ответил утвердительно. Тогда его лицо просветлело: «А-а, так вы имеете в виду кварки!» Я совершил смертный грех, назвав составляющие адронов словом, которое придумал Фейнман, а не Мюррей. Похоже, я был единственным физиком на планете, который не подозревал о непримиримом соперничестве между этими двумя титанами из Калтеха.

Во всяком случае, у меня оставались ещё одна или две минуты, за которые я в сжатом виде изложил свои соображения, а затем Мюррей посмотрел на часы и сказал: «Ладно, спасибо. У меня назначена встреча с одним важным человеком, с которым я должен переговорить до моей лекции».

Я был так близко и вместе с тем так далеко. Увы, не для меня королевские почести, а для меня земля и грязь. Но затем я услышал то, что вернуло меня к жизни. Я увидел Мюррея, который пересказывал группе своих коллег всё то, что я успел ему рассказать. «Сасскинд говорит, что… Сасскинд утверждает, что… Мы должны заняться теорией струн Сасскинда…» А затем Мюррей рассказал о моей идее в своём заключительном докладе на конференции. И хотя теории струн была посвящена лишь небольшая часть доклада, она получила благословение Мюррея, а я чувствовал себя как после езды по американским горкам.

Хотя Мюррей не занимался теорией струн, его разум был открыт для новых идей, и Мюррей сыграл важную роль в их продвижении. Нет никаких сомнений, что он был одним из первых, кто признал потенциальное значение теории струн как теории адронов, а позднее и как теории явлений планковских масштабов.

Существует много вариантов теории струн. Наши варианты начала 70-х были математически очень точными – слишком точными. Хотя с современной точки зрения абсолютно ясно, что адроны являются струнами, теория должна была пройти через целый ряд метаморфоз, прежде чем она смогла описать реальные барионы и мезоны.

Имелись три огромные проблемы, досаждавшие первоначальному варианту теории струн. Одна из них была настолько странной, что консерваторы, а особенно энтузиасты S-матриц, нашли в ней источник для шуток. Это была проблема слишком большого количества измерений. Теория струн, как и все физические теории, имеет дело с пространством и временем. До Эйнштейна пространство и время существовали сами по себе, но затем под влиянием Минковского они слились в единое пространство-время – четырёхмерный мир, в котором каждое событие представлено четырьмя координатами: тремя пространственными и одной временной. Эйнштейн и Минковский превратили время в «четвёртое измерение». Но пространство и время не совсем равноправны. Даже в общей теории относительности, которая перемешивает пространство и время путём замысловатых математических преобразований, эти две сущности различаются. Они по-разному «ощущаются». По этой причине, вместо того чтобы говорить о четырёхмерном пространстве, мы обычно говорим о 3 + 1-мерном, обозначая тем самым, что у нас есть три пространственные и одна временная координата.

Может ли пространство иметь большее число измерений? Да, и это обычное явление в современной физике. Не так трудно, как кажется, представить себе движение в пространстве, имеющем более трёх пространственных измерений. Ещё проще представить себе мир, имеющий менее трёх пространственных измерений. Например, в знаменитой книге Эдвина Эббота «Флатландия» описывается жизнь в мире, имеющем только два пространственных измерения. Но ещё никому не удалось представить себе мир, имеющий более (или менее) одного временного измерения. Похоже, что это вообще не имеет смысла. По этой причине физики, оперируя с многомерными пространствами, всегда имеют в виду пространство с 4 + 1, 5 + 1 и т. д. измерениями, подразумевая, что в нём может быть много пространственных, но всегда только одно временное измерение. Физики всегда надеялись, что однажды они сумеют объяснить, почему наш мир имеет именно 3 пространственных измерения, а не 2, 7 или 84. Поэтому струнные теоретики были рады обнаружить, что их математика корректно работает только в определённых количествах измерений. Проблема лишь в том, это количество оказалось равным 9 + 1, а не 3 + 1. Что-то где-то не так с математикой, если количество пространственных измерений, необходимых для её работы, оказывается в три раза большим, чем количество измерений в нашем обычном мире! Это выглядело насмешкой над струнными теоретиками.

Как преподаватель физики я ненавижу рассказывать что-то студентам, а потом заявлять, что я не могу этого объяснить. Это-де слишком сложно или это-де слишком специально. Я трачу массу времени, придумывая, как объяснить сложные вещи простыми словами. Одним из моих самых больших разочарований является то, что мне так и не удалось придумать простого объяснения, почему теория струн может обрести полное счастье только в 9 + 1 измерениях. И никому другому тоже. Всё, что я могу сказать, – это что всё дело в неустранимых квантовых флуктуациях струн. Эти квантовые флуктуации могут накапливаться и полностью выйти из-под контроля, если не будут выполнены определённые, очень тонкие условия. И эти условия выполняются только в пространстве с 9 + 1 измерениями.

Ошибка в три раза – не столь уж большая беда для космологии, но для физики элементарных частиц это просто катастрофа. Физики, изучающие частицы, привыкли к точным числам. И нет другого такого числа, в котором они были бы настолько уверены, как в числе пространственных измерений. Никакая экспериментальная ошибка не способна объяснить потерю шести пространственных координат. Короче, это полное фиаско. Пространство-время и в прошлом, и ныне имело и имеет размерность 3 + 1, и в этом не может быть никаких сомнений.