Книга Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных - Алекс Виленкин

Эффекты квантовой гравитации становятся существенными на расстояниях меньше планковской длины — это невообразимо малая величина, в 1025 раз меньше размера атома. Для изучения таких расстояний частицы должны сталкиваться с колоссальной энергией, лежащей далеко за пределами возможностей самых мощных ускорителей. На гораздо больших расстояниях, доступных для наблюдения, квантовые флуктуации геометрии пространства-времени усредняются, и эффектами квантовой гравитации можно безболезненно пренебречь. Однако в поисках окончательных законов природы нельзя игнорировать конфликт между эйнштейновской общей теорией относительности и квантовой механикой. В окончательной теории должны найти отражение как гравитация, так и квантовые явления. Так что оставить гравитацию в стороне — это не выход.

Гармония струн

Большинство физиков ныне возлагает надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации — теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий. Это самый многообещающий из всех кандидатов на роль фундаментальной Теории Всего.

Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с планковской. Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала.

Струны в крошечных петлях очень сильно натянуты, и это натяжение заставляет их вибрировать подобно колеблющимся струнам скрипки или фортепьяно. На рисунке 15.1 показаны различные режимы вибраций прямой струны. В этих режимах, которые соответствуют разным музыкальным нотам, струна приобретает волнообразную форму с укладывающимися вдоль нее несколькими полуволнами. Чем больше число полуволн, тем выше нота. Режимы вибрации петель в теории струн весьма похожи (рис. 15.2), но теперь они соответствуют не различным нотам, а различным типам частиц. Все свойства частиц, такие как масса, электрический заряд и заряды, участвующие в слабом и сильном взаимодействиях, определяются точным вибрационным состоянием струнной петли. Вместо введения независимой новой сущности для каждого типа частиц мы имеем единственную сущность — струны, из которых состоят все частицы.

Рис. 15.1. Режимы колебаний струны.

Рис. 15.2. Схематическое представление режимов вибрации струнной петли.

Частицы-переносчики — фотоны, глюоны, W и Z — также представляют собой маленькие вибрирующие колечки, а взаимодействие частиц можно изобразить как разделение и слияние струнных петель. Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, теорию нельзя построить без гравитации.

Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. Как уже говорилось, эта проблема связана с квантовыми флуктуациями геометрии пространства-времени. Если частицы — это математические точки, то флуктуации в непосредственной близости от частиц идут вразнос, а гладкий континуум пространства-времени превращается в неистовую пространственно-временную пену. В теории струн крошечные струнные колечки имеют конечные размеры, заданные планковской длиной. Это как раз тот масштаб, ниже которого квантовые флуктуации выходят из-под контроля. Петли невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.

Идею о том, что частицы могут втайне быть струнами, предложили в 1970 году Еитиро Намбу (Yoichiro Nambu) из Чикагского университета, Холгер Нильсен (Holger Nielsen) из Института Нильса Бора и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Ешивы-Университета. Первоначально теория струн задумывалась как теория сильного взаимодействия, но вскоре обнаружилось, что она предсказывает существование безмассового бозона, для которого нет соответствия среди сильно взаимодействующих частиц. На ключевую идею о том, что этот безмассовый бозон имеет все свойства гравитона, указали в 1974 году Джон Шварц (John Schwarz) из Калтеха и Джоэл Шерк (Joel Sherk) из Эколь Нормаль Сюпериор. Потребовалось еще 10 лет, чтобы Шварц в сотрудничестве с Майклом Грином (Michael Green) из Колледжа королевы Марии в Лондоне справились с рядом тонких математических проблем и показали, что теория действительно является непротиворечивой.

В теории струн нет произвольных констант, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна. Сегодня, после 20 лет штурма сотнями талантливых физиков и математиков, она все еще остается не до конца понятной. В то же время эти исследования открыли удивительно богатые и красивые математические структуры. Это в большей мере, чем что-либо другое, указывает физикам, что они находятся на верном пути.[131]

Ландшафт

Как я только что сказал, в теории струн нет подстроечных параметров. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Теория жестко фиксирует даже число измерений пространства. Проблема в том, что ответ в результате получается неверный: она требует, чтобы пространство имело 9 измерений вместо 3.

Это звучит довольно странно: почему мы вообще должны рассматривать теорию, которая находится в столь вопиющем противоречии с реальностью? Противоречие это можно, однако, обойти, если 6 лишних измерений свернуты или, как говорят физики, компактифицированы. Соломинка для коктейля — простейший пример компактификации: у нее есть одно большое продольное измерение и другое, свернутое в маленькую окружность. Если смотреть издали, соломинка выглядит одномерной линией, но вблизи видно, что в действительности ее поверхность — это двумерный цилиндр (рис. 15.3). Совершенно аналогично компактные дополнительные измерения могут быть невидимы, если они достаточно малы. В теории струн предполагается, что они не намного превышают планковскую длину.[132]