Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

Теперь, через 50 лет, ведущим кандидатом на роль теории всего – теории, способной объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, – является так называемая теория суперструн. Более того, это единственный претендент на эту роль, поскольку все конкурирующие теории уже отброшены. Физик Стивен Вайнберг сказал: «Теория струн стала нашим первым реальным кандидатом на роль окончательной теории». Вайнберг говорит, что все карты, по которым ориентировались древние моряки, указывали на существование легендарного Северного полюса, хотя прошло немало столетий, прежде чем Роберт Пири в 1909 г. наконец добрался до него. Аналогично все открытия в физике элементарных частиц указывают на существование «Северного полюса» Вселенной, то есть единой теории поля. Теория суперструн может вобрать в себя все лучшие черты квантовой теории и теории относительности удивительно простым способом. Теория суперструн основана на идее о том, что элементарные частицы можно рассматривать как ноты на колеблющейся струне. Если Эйнштейн сравнивал вещество с деревом из-за его путаных свойств и хаотичной на первый взгляд природы, то теория суперструн сводит материю к музыке. (Эйнштейну, который был превосходным скрипачом, это, вероятно, понравилось бы.)

В какой-то момент в 1950-е гг. физики отчаялись разобраться в элементарных частицах, поскольку новые частицы тогда открывали едва ли не каждый день. Роберт Оппенгеймер в раздражении однажды сказал: «Нобелевскую премию по физике следовало бы дать тому физику, кто не откроет в этом году ни одной новой частицы». Элементарным частицам надавали такое множество диковинных греческих названий, что Энрико Ферми сказал: «Если бы я знал, что будет так много частиц с греческими названиями, я бы стал ботаником, а не физиком». Но в теории струн, если бы можно было взять сверхмощный микроскоп и заглянуть непосредственно в электрон, выяснилось бы, что это не точечная частица, а колеблющаяся струна. Когда суперструна колеблется в другом режиме, или на другой ноте, она превращается в другую элементарную частицу, к примеру, в протон или в нейтрино. В этой картине элементарные частицы, которые мы видим в природе, можно рассматривать как самую нижнюю октаву суперструны. Таким образом, лавина элементарных частиц, открытых за несколько десятилетий, представляют собой просто ноты на этой суперструне. Законы химии, которые кажутся очень путаными и произвольными, представляют собой мелодии, сыгранные на суперструнах. Сама Вселенная – это симфония струн, а законы физики – не что иное, как гармонии суперструн.

Теория суперструн может также вместить в себя все наработки Эйнштейна по теории относительности. Движение струны в пространстве-времени вынуждает окружающее пространство искривляться, в точности как предсказывал в 1915 г. Эйнштейн. Более того, теория суперструн окажется противоречивой, если струна не будет двигаться в пространстве-времени в соответствии с общей теорией относительности. Как сказал физик Эдвард Виттен, даже если бы Эйнштейн вообще не открыл общую теорию относительности, ее вполне можно было бы открыть иначе, через теорию струн. Виттен заметил: «Теория струн чрезвычайно привлекательна, потому что от гравитации в ней никуда не денешься. Все известные непротиворечивые теории струн включают в себя гравитацию, так что если в квантовой теории поля, как мы ее знаем на данный момент, гравитация невозможна, то в теории струн она обязательна».

Однако теория струн позволяет сделать и еще кое-какие удивительные предсказания. Струны способны непротиворечиво двигаться только в десятимерном пространстве (одно измерение на время и девять – на пространство). Более того, теория струн – единственная теория, которая устанавливает размерность своего собственного пространства-времени. Подобно теории Калуцы – Клейна 1921 г., она способна объединить гравитацию с электромагнетизмом, предположив, что высшие измерения могут колебаться, порождая силы, способные распространяться по трем измерениям, как свет. (Если добавить одиннадцатое измерение, то в теории струн возможны мембраны, колеблющиеся в гиперпространстве. Такой вариант называется М-теорией; он вбирает в себя теорию струн и позволяет взглянуть на нее по-новому, с позиции одиннадцатого измерения.)

Что подумал бы Эйнштейн, будь он сегодня жив, о теории суперструн? Физик Дэвид Гросс сказал: «Эйнштейн был бы доволен по крайней мере целью, если не реализацией… Ему понравилось бы, что в основе всего этого лежит базовый геометрический принцип – который мы, к несчастью, как следует не понимаем». Существо эйнштейновой единой теории поля, как мы видели, состояло в том, чтобы получить вещество (дерево) из геометрии (мрамора). Гросс сказал об этом так: «Чтобы построить само вещество из геометрии – а именно этим в определенном смысле занимается теория струн… теория гравитации, в которой частицы вещества, как и другие силы природы, возникают аналогично тому, как гравитация возникает из геометрии». Полезно вернуться к ранней работе Эйнштейна по единой теории поля и взглянуть на нее с позиции теории струн. Ключ к гению Эйнштейна в том, что он умел вычленить ключевые симметрии Вселенной, объединяющие законы природы. Симметрия, объединяющая пространство и время, – это преобразование Лоренца, или повороты в четырехмерном пространстве. За гравитацией стоит другая симметрия – общая ковариантность, или произвольные координатные преобразования пространства-времени.

Однако третий подход Эйнштейна к созданию великой объединяющей теории оказался неудачным – в основном потому, что ему недоставало симметрии, которая унифицировала бы гравитацию и свет или объединила мрамор (геометрию) и дерево (вещество). Конечно, он остро чувствовал отсутствие фундаментального принципа, который провел бы его сквозь дебри тензорного исчисления. Он даже написал однажды: «Уверен, чтобы добиться реального прогресса, необходимо выведать у природы еще один какой-нибудь общий принцип».

Именно это обеспечивает всем желающим суперструна. Симметрия суперструны называется «суперсимметрией»; это необычная и красивая симметрия, объединяющая материю и взаимодействия. Как уже упоминалось, у элементарных частиц есть свойство, именуемое спином; они ведут себя как вращающиеся волчки. У электрона, протона, нейтрона и кварков, из которых состоит вещество Вселенной, спин равен 1/2; все эти частицы называют фермионами в честь Энрико Ферми, исследовавшего в свое время свойства частиц с полуцелым спином. Кванты взаимодействий, однако, основаны на электромагнетизме (их спин равен 1) и гравитации (спин равен 2). Обратите внимание, что все они имеют целый спин и называются бозонами (в честь работ Бозе и Эйнштейна). Главное здесь то, что в общем и целом вещество (дерево) строится из фермионов с полуцелым спином, тогда как взаимодействия (мрамор) строятся из бозонов с целым спином. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны. Очень существенно, что суперсимметрия разрешает обобщение дерева и мрамора, о котором мечтал Эйнштейн. Фактически суперсимметрия делает возможным новый тип геометрии, удививший даже математиков; это так называемое суперпространство делает возможным «супермрамор». При этом новом подходе получается, что мы должны обобщить старые измерения пространства и времени, включить в них новые фермионные измерения, которые затем позволят нам создать «супервзаимодействие», из которого в момент рождения Вселенной и появились все взаимодействия.