Стивен Хокинг - Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр [litres]

Несмотря на эти проблемы и на то, что частицы в теориях супергравитации не похожи на наблюдаемые частицы, большинство ученых считали, что супергравитация – это все же верный путь, который в перспективе приведет к объединению гравитации с другими силами. Но в 1984 году симпатии научного сообщества замечательным образом изменились: многие стали склоняться в пользу теории струн. Базовыми сущностями в ней являются не частицы – точки в пространстве, – а объекты, имеющие длину, но не имеющие других измерений, подобно бесконечно тонкому отрезку струны. У них могут быть концы (так называемые открытые струны), но они могут замыкаться сами на себя, образуя петли (замкнутые струны) (рис. 11.1 и 11.2). В любой момент времени частица занимает в пространстве одну точку, и ее историю можно представить в виде линии в пространстве-времени («мировой линии»). В отличие от нее, струна в каждый момент времени представляет собой линию в пространстве. Так что ее история в пространстве-времени выглядит как двумерная поверхность, так называемый мировой лист. (Любая точка на таком мировом листе задается двумя числами: одно из них определяет время, а другое – положение точки на струне.) Мировой лист открытой струны имеет вид ленты – ее края обозначают пути концов струны в пространстве-времени (рис. 11.1). Мировой лист замкнутой струны имеет вид цилиндра, или трубы (рис. 11.2): в сечении трубы находится круг, который отображает положение струны в конкретный момент времени.

Два отрезка струны могут соединиться, образуя единую струну; открытые струны могут соединяться своими концами (рис. 11.3), а в случае замкнутых струн схема напоминает соединяющиеся штанины брюк (рис. 11.4). Аналогичным образом отрезок струны может разделиться на два. В теориях струн то, что раньше принимали за различные точечные частицы, рассматривается как волны на струне, подобные колебаниям леера воздушного змея. Поглощению одной частицы другой частицей или излучению их соответствует соединение двух струн в одну или разделение струны на две части. Например, в теориях частиц считается, что сила притяжения, действующая на Землю со стороны Солнца, вызвана излучением гравитонов частицами вещества на Солнце и их поглощением частицами вещества на Земле (рис. 11.5). В теории струн этот процесс соответствует Н-образной трубе (рис. 11.6) (теория струн чем-то похожа на ремесло сантехника). Две вертикальные черты буквы «Н» соответствуют частицам на Солнце и на Земле, а соединяющая их горизонтальная черта соответствует гравитону, который движется между ними.

История теории струн весьма любопытна. Она впервые была озвучена в конце 60-х годов прошлого века и стала плодом попыток создать теорию сильного взаимодействия. Авторы теории предлагали рассматривать такие частицы, как протон и нейтрон, как колебания струны. Сильное взаимодействие между частицами иллюстрирует переплетение струн, как в паутине. Чтобы теория давала наблюдаемую величину для сильного взаимодействия, струны должны напоминать резиновые ленты, которые удерживают груз в 10 тонн.

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Рис. 11.3

Рис. 11.4

В 1974 году Жоэль Шерк из Высшей нормальной школы в Париже и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали статью, в которой показали, что теория струн способна описать природу гравитационных сил, но при куда большем натяжении струн – около тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью девятью нулями) тонн. На нормальных масштабах предсказания теории струн не отличаются от предсказаний общей теории относительности, а различия проявляются на очень малых расстояниях, в тысячу миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз меньше сантиметра (сантиметр, деленный на число, равное единице с тридцатью тремя нулями). Но работа эта не привлекла особого внимания: как раз в это время большинство физиков потеряли интерес к первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, увлекшись построениями, основанными на гипотезе о существовании кварков и глюонов, которая, похоже, лучше согласовывалась с наблюдениями. Шерк трагически погиб (он страдал от диабета и впал в кому, когда некому было сделать ему инъекцию инсулина), так что Шварц остался практически единственным сторонником теории струн. Правда, он исходил из куда большего их натяжения.

В 1984 году интерес к теории струн оживился, по-видимому, по двум причинам. Во-первых, не наблюдалось сколько-нибудь значительного прогресса в исследованиях, призванных доказать конечность супергравитации или ее способность объяснить наблюдаемые типы частиц. Во-вторых, Джон Шварц совместно с Майком Грином из Колледжа королевы Марии в Лондоне опубликовали статью, где показали, что теория струн может объяснить существование частиц со встроенной хиральностью (то есть «праворукостью», или «леворукостью»), подобной той, что присуща некоторым наблюдаемым частицам. Так или иначе, множество исследователей стали развивать теорию струн, и вскоре был создан новый ее вариант, в основе которого лежит предположение о гетеротических струнах. Он, как казалось, мог объяснить типы частиц, которые мы наблюдаем.

Рис. 11.5

Рис. 11.6

В теориях струн тоже возникают бесконечности, но считается, что в версии теории, сходной с той, что рассматривает гетеротические струны, все они сократятся (правда, пока это не известно наверняка). Но у теорий струн есть более серьезная проблема: похоже, что они непротиворечивы, только если пространство-время имеет или десять, или двадцать шесть измерений вместо обычных четырех! Конечно, дополнительные измерения пространства-времени – обычное дело в научной фантастике – это идеальный способ обойти обычное ограничение общей теории относительности, которая не допускает движения со скоростью, превышающей световую, а также движения назад во времени (см. десятую главу). Идея состоит в том, чтобы пройти коротким путем через дополнительные измерения. Это можно вообразить следующим образом. Представьте себе, что мы живем в пространстве с двумя измерениями, которое искривлено наподобие поверхности спасательного круга или тора (рис. 11.7). Если вы находитесь на одной стороне внутреннего края кольца и хотите перебраться в точку на другой стороне, вам придется двигаться по кругу вдоль внутреннего края. Но если вы способны двигаться также и в третьем измерении, то сможете выйти за пределы кольца и пройти в пункт назначения прямо через центр кольца.