Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Но для Бермана главная её прелесть не в этом, а в её богатстве. Он сравнивает теорию струн с ньютоновской теорией гравитации: «Она объясняет не одно явление, а многие: движение планет, приливы и отливы, предварение равноденствий и так далее. Теория Ньютона дала физикам материал для работы на вечность вперёд. Точно так же и с теорией струн — наша работа с ней далека от завершения. Она может продолжаться ещё очень долго».

До 1985 года теория струн находилась на задворках большой физики, а работать над ней соглашались лишь фанатики, уверенные в её правоте. Всё изменилось, когда Джон Шварц из Калифорнийского технологического института в Пасадине и Майк Грин из Лондонского университета королевы Марии совершили прорыв.

Физика содержит множество симметрий — аспектов различных ситуаций, которые остаются неизменными при изменении прочих условий. Например, квадрат продолжает выглядеть квадратом, если его повернуть на 90, 180 или 360 градусов. В 1918 году немецкий учёный Эмми Нётер сделала потрясающее открытие. Оказывается, симметрии лежат в основе многих великих законов природы. Возьмём, к примеру, закон сохранения энергии, который гласит, что энергию нельзя создать или уничтожить — только изменить её форму. Он является следствием симметрии временного сдвига, благодаря которой эксперимент будет иметь один и тот же результат, если провести его сегодня, завтра, через месяц или через год.

Открытие того, что законы физики основываются на симметрии, стало одним из величайших в современной науке. Именно поэтому сотрудники БАК охотятся за симметричными явлениями, указывающими на новые фундаментальные законы. Многие теории в квантовом мире не сохраняют классических симметрий. Например, специальная теория относительности лишается своей ключевой симметрии Лоренца. Шварц и Грин выяснили, что теория струн остаётся симметричной, или, пользуясь научным языком, не содержит аномалий. Берман отмечает: «Все симметрии классической физики применяются автоматически. Удивительным образом теория струн оказывается совместимой со всем, что нам уже известно».

Открытие Шварца и Грина запустило «первую струнную революцию», в ходе которой теория струн из узкой области превратилась в основное поле для исследований. «Второй струнной революцией» было осознание того, что все теории струн представляют собой версии M-теории, а также того, что самое важное в ней, на удивление, не струны.

Наш повседневный трёхмерный мир содержит не только одномерные объекты, но и объекты двумерные, например столешницы, и трёхмерные, например деревья и людей. По аналогии во Вселенной M-теории с её десятью пространственными измерениями должны иметься не только одномерные струны, но и двумерные, трёхмерные, четырёхмерные тела и так далее. Эти многомерные тела учёные совокупно называют бранами, или, как окрестил их Таунсенд, p -бранами, где p обозначает количество пространственных измерений. Согласной этой терминологии струна — это 1-брана.

Выясняется, что в M-теории существование бран не только вероятно, но и обязательно. Это разнообразие тел, существующих в различном количестве измерений, означает, что в теории, которую ищут физики, струны вряд ли должны играть фундаментальную роль. Судя по всему, для объединения специальной теории относительности и квантовой теории требуется большая группа объектов. «В некоторых областях теории проявляется действие частиц, в некоторых — струн, в некоторых — 2-бран, 3-бран и так далее», — объясняет Аркани-Хамед.

В этой картине мира Макровселенная представляет собой трёхмерный остров (3-брану), качающийся на поверхности десятимерного пространства. В таком сценарии перед струнами открываются две возможности. Один конец струны может быть прикреплён к 3-бране так, что она будет выглядеть как водоросль на дне Саргассова моря, или же струна может быть замкнута в кольцо и не контактировать с 3-браной. Известные нам фундаментальные частицы, входящие в Стандартную модель, относятся к первому типу, а гравитон представляет собой кольцо, способное двигаться за пределами браны и исследовать все десять пространственных измерений.

Эта теория предлагает интуитивное объяснение одной из величайших загадок физики: почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил природы. Как я уже упоминал, сила притяжения между протоном и электроном в атоме водорода в 10 000 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз меньше, чем электромагнитная сила. В 1999 году Лиза Рэнделл из Гарвардского университета и Раман Сундрам из Мэрилендского университета в Колледж-Парке выяснили, что дополнительные измерения не обязательно должны быть свёрнуты до субатомных размеров. Если они искривлены определённым образом, то могут оставаться незамеченными, даже если будут величиной со всю Вселенную. [265] Randall L., Sundrum R. Large mass hierarchy from a small extra dimension // Physical Review Letters. — 1999. — Vol. 83 (17). — P. 3370. — arXiv:hep-ph/9905221v1 ; Randall L. Warped Passages: Unravelling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions. — New York: HarperCollins, 2006.

Согласно сценарию, предложенному Рэнделл и Сундрамом, причина того, что частицы-переносчицы негравитационного (например, электромагнитного) взаимодействия достаточно сильны, состоит в том, что они существуют в пределах 3-браны. Гравитоны же имеют доступ ко всем десяти измерениям, поэтому их воздействие размыто.

Хотя это интуитивное объяснение слабости гравитации выглядит достаточно привлекательно, у нас пока что нет никаких доказательств существования огромных пространственных измерений, скрытых от нашего взора. Теория струн предлагает огромное количество возможных объяснений природных явлений, но не содержит почти ни одного положения, которое позволило бы учёным делать точные и проверяемые предсказания.

Если наша Вселенная действительно представляет собой огромный трёхмерный остров, плавающий на поверхности десятимерного пространства-времени, будет логично задать себе вопрос: а единственный ли он? Если нет, то может ли одна 3-брана столкнуться с другой? Именно на таком варианте развития событий строится новая гипотеза Большого взрыва, предложенная группой учёных под руководством физика Нила Турока из института «Периметр» в Уотерлу, Канада.

Согласно этой схеме, однажды две пустые 3-браны приблизились друг к другу в пятом измерении (за четвёртое мы принимаем время). Представьте их себе как два куска хлеба, который кладут один на другой. Две 3-браны прошли сквозь друг друга, но в пятом измерении они обладали огромной энергией, и в момент их соприкосновения она должна была куда-то деться. Поэтому возникла масса-энергия субатомных частиц на бранах, а затем они раскалились до невероятных температур. Иными словами, произошёл Большой взрыв.