Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В 1920-х годах, когда Калуца и Клейн высказали своё предположение, сильное и слабое ядерное взаимодействие, действующие лишь в микроскопических масштабах атомного ядра, ещё не были открыты. Но их поведение можно сымитировать, добавив ещё несколько пространственных измерений, свёрнутых до сверхмалых размеров. В конечном итоге таких измерений нам потребуется шесть. Соответственно, гипотетические струны могут вибрировать в десятимерном пространстве-времени (девяти пространственных и одном временно́м измерении).

Физик и автор научно-популярных книг Брайан Грин из Колумбийского университета в Нью-Йорке пишет: «Сначала приходит Эйнштейн и говорит: “Пространство и время могут изгибаться и искривляться — это и есть гравитация”. А потом приходит теория струн и добавляет: “Не только гравитация, а ещё и квантовая механика и электромагнетизм, но только если во Вселенной больше измерений, чем мы можем увидеть». [263] «Поразительные идеи одного из лучших физиков-теоретиков в мире», Australian Broadcasting Corporation, 25 февраля 2016 года.

«Сначала людям не нравились дополнительные измерения, — рассказывает специалист по теории струн Эдвард Виттен из Института перспективных исследований в Принстоне, — но они приносят большую пользу. Благодаря им теория струн может описать все элементарные частицы и их взаимодействия, включая гравитационное».

Теория, которая заявляет, что пространство-время имеет десять измерений, кажется полностью противоречащей нашей трёхмерной реальности (четырёхмерной, если учитывать время). Но это не единственная её проблема. Для начала струны должны быть невероятно маленькими. Согласно теории они имеют планковскую длину 10 −35метра, то есть в миллион миллиардов раз меньше атома водорода. Соответственно, даже самые жёсткие столкновения частиц в БАК не смогут обеспечить достаточно энергии для прямого изучения мира струн. А так как величины и энергии, существующие в этом мире, слишком отличаются от нашей реальности, они не оставляют на ней заметного отпечатка. Итак, струны не только неподвластны нашим экспериментам, но и не позволяют нам сделать хоть какие-либо предположения, которые можно было бы эмпирически проверить. Дэвид Тонг говорит: «Поразительно, как и Стандартная модель, и общая теория относительности вытекают из теории струн. Но на самом деле физикам бы хотелось, чтобы из неё вытекло что-нибудь неожиданное».

Кроме того, теория струн требует от природы существования суперсимметрии. Чем более высокие энергетические уровни затрагивают исследования на БАК, тем меньше в микромире остаётся мест, где могли бы прятаться суперсимметричные частицы. Если они не объявятся в ближайшее время, теория окажется нежизнеспособной. Даже критики признают, что теория струн — это элегантная математическая конструкция, но существует ещё множество таких же прекрасных идей, которые природа в своей мудрости решила не применять на практике.

Ещё одна проблема теории струн состоит в том, что дополнительные измерения могут пересекаться множеством различных способов. Согласно некоторым оценкам, это ведёт к возникновению как минимум 10 500отдельных «струнных вакуумов», в каждом из которых количество и массы фундаментальных частиц различаются, равно как и число фундаментальных взаимодействий и силы их воздействия. Физики предполагали, что, раз специальную теорию относительности и квантовую теорию так сложно объединить, любая гипотеза, которая сможет это сделать, должна быть уникальной и верно предсказывать наблюдаемые свойства фундаментальных частиц и сил. Но, как говорит Аркани-Хамед, они ошибались.

Вместо этого учёные обнаружили огромное количество «решений» теории струн, соответствующих и специальной теории относительности, и квантовой теории. Некоторые называют теорию струн «пучком решений в ожидании задачи». В истории физики такое уже случалось. Например, существует бесконечное число возможных электромагнитных волн, каждая из которых имеет свою длину. Все они являются решениями для максвелловского уравнения электромагнетизма. Или в мире существует множество атомов водорода, десятки столов и один человек, который читает эти слова. Все вы представляете собой решения для уравнения Шрёдингера.

Вопрос в том, решениями для какой теории являются 10500 струнных вакуумов.

В какой-то момент специалисты по теории струн изучали пять различных её вариаций, известных под названиями Тип I, Тип IIa, Тип IIb, Гетеротический тип O(32) и Гетеротический тип E 8× E 8. Но в середине 1990-х годов Пол Таунсенд из Кембриджского университета и Крис Халл из Лондонского университета королевы Марии доказали, что это всего лишь пять способов реализации суперсимметрии, то есть разные версии единой теории 11 измерений. Эдвард Виттен назвал её M-теорией, но при этом так и не сказал, что обозначает буква M. «M-теория с её 11 измерениями охватывает всё», — заявляет Дэвид Берман из Лондонского университета королевы Марии.

Итак, 10 500струнных вакуумов — это решения M-теории. Все вместе они выглядят как группа Вселенных, или Мультивселенная, в которой все элементы, вероятнее всего, связаны друг с другом. «Многочисленны и странны Вселенные, которые дрейфуют, как пена, по реке Времени», — писал фантаст Артур Кларк. [264] Clarke A. C. The Wall of Darkness. The Other Side of the Sky. — London: Gollancz, 2003. Вполне возможно, он имел в виду струнные вакуумы.

Физики предпочли бы теорию, которая может точно предсказать свойства фундаментальных частиц и сил. Вместо этого им приходится искать ответ на вопрос, почему из всех 10 500Вселенных мы находимся именно в этой. Аркани-Хамед говорит, что это нам пока неизвестно.

Учёные могли бы попытаться подсчитать количество Вселенных, в каждой из которых масса электрона, сила электромагнитного взаимодействия и другие параметры имели бы одно из своих возможных значений. Чаще всего при таком подсчёте должны были бы встречаться Вселенные, в которых массы субатомных частиц и значения фундаментальных сил были бы близки к нашим. Если же оказалось бы, что мы живём в особой Вселенной, непохожей на другие, по теории струн был бы нанесён серьёзный удар. «Проблема лишь в том, что мы не можем придумать, как посчитать Вселенные», — замечает Аркани-Хамед.

Бермана это не очень беспокоит. «На нашем пути изучения математической структуры теории струн ещё рано отчаиваться, — говорит он. — Мы ещё и близко не подошли к реальной физике».

Но, несмотря на все затруднения с теорией струн, она имеет несколько убедительных характеристик, из-за которых множество физиков по всему миру не просто интересуются ею, но и настроены в её отношении крайне оптимистично. Начнём с того, что она предполагает существование вибрирующей замкнутой струны со спином 2. Как уже говорилось выше, частица со спином 2 должна быть гравитоном, частицей-переносчицей силы притяжения. Кроме того, неизбежным следствием из существования частиц со спином 2 является общая теория относительности. Как мы знаем, объединение квантовой теории и эйнштейновской теории гравитации — это Святой Грааль физики. Поэтому квантовая теория струн, одновременно включающая в себя общую теорию относительности, кажется такой привлекательной.