Физика невозможного - Мичио Каку

Все изменилось с появлением на сцене теории суперструн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.

Теорию струн даже превозносили как пресловутую «теорию всего», ускользавшую от Эйнштейна последние 30 лет его жизни. Эйнштейну нужна была единая понятная теория, которая объединила бы в себе все законы физики и позволила ему «узнать, о чем думает Бог». Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, го она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет — с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество?

Но у теории суперструн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится.

Разумеется, наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное). Это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты, подобно пятому измерению Калуцы.

В последнее время физики начали всерьез задумываться о том, чтобы доказать или, наоборот, опровергнуть существование этих высших измерений. Возможно, простейший способ убедиться в их существовании — это найти отклонения от ньютоновского закона всемирного тяготения. Из школы мы знаем, что сила притяжения Земли убывает с расстоянием. Если говорить более точно, сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, разделяющего объекты. Но это верно только потому, что мы живем в трехмерном мире. (Представьте себе сферу вокруг Земли. Сила притяжения Земли равномерно распределяется по площади этой сферы, поэтому чем больше сфера, тем слабее сила притяжения. Но площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, поэтому и сила притяжения, распределенная по поверхности сферы, должна уменьшаться пропорционально квадрату радиуса.)

Но если бы во Вселенной было четыре пространственных измерения, то сила притяжения должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. Вообще, если бы вселенная имела п пространственных измерений, гравитация в ней убывала бы пропорционально (n-1)-й степени расстояния. Знаменитый закон Ньютона о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, проверен на астрономических расстояниях с большой точностью; именно поэтому мы можем направлять космические зонды с поразительной точностью сквозь щели в кольцах Сатурна. Но до недавнего времени никто не проверял этот закон в лаборатории, на очень малых расстояниях.

Первый эксперимент, призванный проверить закон обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния, был проведен в 2003 г. в Университете Колорадо. Результат эксперимента был отрицательным: по всей видимости, параллельной вселенной не существует, по крайней мере, в Колорадо ее нет. Но отрицательный результат лишь раздразнил аппетиты других физиков, которые теперь надеются повторить этот эксперимент с еще большей точностью.

Большой адронный коллайдер, который в 2008 г. вводится в строй недалеко от Женевы, будет участвовать в поисках частиц нового типа — так называемых суперчастиц, которые представляют собой высшие моды колебания суперструн (все, что вы видите вокруг, представляет собой всего лишь низшие частоты колебания суперструн). Если БАК действительно обнаружит суперчастицы, это может означать начало настоящей революции в наших взглядах на Вселенную. В новой картине Вселенной Стандартная модель попросту будет представлять низшие частоты колебания суперструн.

Кип Торн говорит: «К 2020 г. физики будут уже понимать законы квантовой гравитации, и окажется, что они являются вариантом теории струн».

Кроме высших измерений теория струн предсказывает существование и другой версии параллельных вселенных; речь идет о Мультивселенной.

Один вопрос по поводу теории струн по-прежнему не дает покоя: почему эта теория существует ни много ни мало — в пяти версиях? Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. Это довольно неприятно, ведь физики в большинстве своем мечтали о единой и единственной «теории всего». Эйнштейн, к примеру, хотел узнать, «был ли у Бога выбор при сотворении Вселенной». Он был убежден, что единая теория поля, или теория всего, должна быть уникальна. Так почему же сегодня мы видим пять версий теории струн?

В 1994 г. в научном мире взорвалась еще одна бомба. Эдвард Уиттен из Института перспективных исследований в Принстоне и Пол Таунсенд из Кембриджского университета выдвинули предположение о том, что все пять теорий струн на самом деле представляют собой одну теорию — но только если добавить одиннадцатое измерение. При взгляде из одиннадцатого измерения все пять теорий сольются в одну! Получается, что теория действительно уникальна, но только если в качестве наблюдательного пункта выбрать вершину одиннадцатого измерения.

В одиннадцатом измерении может существовать новый математический объект, получивший название «мембрана» (к примеру, она может быть подобна поверхности сферы). Но — поразительное наблюдение — при переходе от 11 измерений к 10 из единственной мембраны появляются все пять струнных теорий — и получается, что они представляют всего лишь разные пути перевода мембраны из одиннадцатимерного мира в десятимерный.

(В качестве наглядной иллюстрации представьте себе надувной мяч с перехватывающей его по экватору резинкой. Представьте, что вы возьмете ножницы и срежете весь мяч по обе стороны от резинки. Останется только сама резинка, или струна. Точно так же, если свернуть одиннадцатое измерение, от мембраны останется только «экватор», он же струна. Математически существует пять способов убрать «мяч», или мембрану, при свертывании «лишнего» измерения—и соответственно в десятимерном пространстве мы получаем пять разных струнных теорий.)

Одиннадцатое измерение позволило нам по-новому увидеть всю картину. Возникло также предположение о том, что наша Вселенная — тоже мембрана, плавающая в одиннадцатимерном пространстве-времени. Более того, не все измерения при этом должны быть свернуты до бесконечно малых величин. Наоборот, некоторые из них могут быть бесконечными.

А что, если наша Вселенная, вместе с другими вселенными, существует в некой единой Мультивселенной? Представьте себе множество парящих в воздухе мыльных пузырей, или мембран. Каждый мыльный пузырь олицетворяет собой целую вселенную, плавающую в одиннадцатимерном гиперпространстве большего размера. Пузыри способны объединяться друг с другом или разделяться на несколько пузырей, они способны даже возникать и исчезать. Не исключено, что мы все живем на оболочке одного такого пузыря-вселенной.

Макс Тегмарк из MIT считает, что через 50 лет «существование этих "параллельных вселенных" будет вызывать не больше сомнений, чем существование иных галактик, которые тогда называли "островными вселенными", вызывало сомнений 100 лет назад».

Сколько вселенных предсказывает теория струн? Довольно неприятной чертой теории струн является как раз тот факт, что вселенных может быть множество — многие триллионы вселенных, каждая из которых вполне согласуется с теорией относительности и квантовой теорией. Согласно одной из оценок, может существовать целый гугол таких вселенных. (Гугол—это единица со ста нулями.]

В обычных условиях связь между вселенными невозможна. Атомы нашего тела подобны мухам на липкой бумаге. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях нашей вселенной-мембраны, но не способны «выпрыгнуть» из нее в гиперпространство, потому что приклеены к нашей Вселенной. Но гравитация, которая представляет собой искажение пространства-времени, может свободно плавать в пространстве между вселенными.

Существует теория, утверждающая, что скрытая масса, или темная материя, — некое невидимое вещество, окружающее нашу Галактику, — возможно, представляет собой обычное вещество в параллельной вселенной. Как говорится еще в романе Герберта Уэллса «Человек-невидимка», наблюдатель будет невидим для нас, если будет находиться прямо над нами в четвертом измерении. Представьте себе два параллельных листа бумаги и наблюдателя, который находится на втором листе и видит под собой первый.