Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Если «иномирье» будет открыто, то возникнут очень интересные вопросы о структуре чужих вселенных и их влиянии на нашу реальность. Первые расчеты и электронные модели показывают, что во многом кембриджский теоретик был прав, и параллельные вселенные могут быть гораздо более однообразными, оставляя свои отпечатки на микроволновом фоновом излучении Вселенной.

Много надежд Хокинг связывал с оригинальной теорией струн, появившейся во второй половине прошлого столетия. С ее помощью вроде бы можно было если и не устранить, то хотя бы обойти множество препятствий на пути к построению логически не противоречивой теории квантовой гравитации.

Главная идея тут в том, что элементарные частицы являются производными от бесконечно тонких одномерных объектов, называемых квантовыми струнами. Все довольно обширное семейство самых разных элементарных частиц в теории струн предстает как отражение множества возможных колебаний этих сверхмалых нитевидных объектов. На первый взгляд эта довольно бесхитростная теория уверенно описывает сложнейший мир микрочастичных взаимодействий, пользуясь принципом «магии квантовых струн». Магические свойства здесь проявляются лишь после того, как закономерности квантовой физики применяются к колеблющейся струне. Струнные вибрации должны распространяться со скоростью света, генерируя новые свойства, характерные не только для микромира элементарных частиц, но и для мегамира квантовой космологии.

Читая лекции, Хокинг обычно наглядно представлял струнную абстракцию в виде образа магнита, покрытого слоем мелких железных опилок, выстроившихся вдоль магнитных силовых линий. Если полюса магнита раздвинуть на значительное расстояние, намного превышающее размеры самого магнита, то слой опилок обратится в своеобразный жгут силовых линий. Если взять немагнитный щуп и осторожно потрогать «магнитно-силовой» жгут, то выяснится, что, будучи отклоненным в сторону, он упруго восстанавливает свою форму. Итак, получается, что он обладает некоторой упругостью и его вполне можно было бы назвать полевой магнитной струной. Точно такая же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками.

В 70-х годах прошлого века Хокинг увлекся «микрокосмическими» моделями сверхэлементарных частиц и в очередной раз вплотную столкнулся с проблемой геометризации своих построений. Через некоторое время он пришел к мысли, что если в микромире существуют сверхэлементарные объекты, входящие в кварки и глюоны, то они должны совершенно по-особому вписываться в пространство микромира. В первую очередь это касается неких «силовых струн», которые особым образом связывают привычные для нас микрочастицы, не давая им разойтись в пространстве и стать отдельными объектами. Подобно тому как кварки и глю оны не могут проявлять себя вне связанного внутри элементарных частиц состояния, струны также являются вечными пленниками тех же кварков и глюонов. Впоследствии Хокинг предложил оригинальный образ «хромосом мира», которые выглядят как некие жгуты напряженного поля и могут существовать в несвязанном состоянии.

Надо отметить, что Хокинг всегда отмечал «поэтичность» суперструнных представлений. Выступая на конференциях, симпозиумах и семинарах, он часто употреблял образ суперструнного оркестра, в котором набор возбужденных струн звучит настоящим вселенским крещендо, заполняя вакуум потоком звуков — элементарных частиц.

При этом сверхмикроскопические струны могут сливаться и разрываться, генерируя все новые и новые поколения струнных объектов. Так могут возникать замкнутые кольца из дочерних струн, и более сложные переплетающиеся фигуры из силовых нитей с очень своеобразной топологией. И конечно же, важнейшее свойство струнных образований — это сами колебания силовых нитей, в ходе которых, точно так же, как это происходит со струнами музыкальных инструментов, в них возбуждаются самые разнообразные полевые обертоны. И в полном соответствии с этой звуковой аналогией обертоны могут отделяться от колеблющихся струн, распространяющихся в окружающем вакууме, как цуги волнового процесса.

Изначально в теории струн видели вероятного кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале 70-х годов прошлого века концепции кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, струнная модель явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. На этом фоне теория струн выглядела довольно экзотично, не выделяясь особой внутренней логической стройностью, не получила экспериментальных результатов. К тому же эта инновационная теория сразу столкнулась с трудными требованиями для размерности пространства, ведь ее модель была математически корректна только для многомерного пространственно-временного континуума.

Ко всему прочему выяснилось, что ввод в теорию струн спина приводит к ее корректной реализации только в пространстве-времени с девятью пространственными и одним временным измерением. Это было очень необычно, поскольку теоретикам еще не встречались теории, автоматически диктующие требуемую размерность. Ведь все известные уравнения механики, электродинамики и теории относительности в принципе справедливы для самого разного количества измерений. А вот теория суперструн требовала для своей реализации пространства-времени строго определенной размерности, к тому же с несколькими лишними измерениями, никогда не встречающимися в окружающей нас физической реальности.

В данной ситуации такие физики-теоретики, как Хокинг, Вайнберг и Пенроуз стали «конструировать» квантовую версию релятивистской гравитации. При этом они опирались на то, что соответствующие уравнения теории Эйнштейна содержат в себе решения, соответствующие неким гравитационным волнам. При квантовании они превращаются в кванты гравитационного поля — гравитоны, переносящие гравитационное взаимодействие. Топологически модель гравитона представляет собой нечто, напоминающее закольцованную струну. Гравитонные закольцованные струны по идее должны легко преодолевать границы нашего трехмерного пространства, перемещаясь в иные измерения. Но если эти странные «агенты влияния» гравитации способны на подобные «подпространственные» перемещения, то их геометрия вполне может описываться специальным классом еще не найденных решений.