Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

То, что мы этого не видим, прежде всего свидетельствует о том, что дополнительные измерения очень хорошо спрятаны в глубинах нашего Мира. Этот образ скрученных до сверхмикроскопических размеров струнных колец и клубков называют компактификацией дополнительных измерений. Читая спецкурс «Теория гравитации», Хокинг подчеркивал: важно понимать, почему мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений. При этом он считал, что эти компактифицированые «свертки» ультрамикроскопических клубков, которые принципиально невидимы даже при рассеянии частиц на сверхмощных ускорителях, практически ничем не отличаются от образа безразмерной геометрической точки.

При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века, появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели напрямую сопоставлялась с гравитоном. Таким образом, Хокинг считал, что теория струн представляет собой математический каркас для квантовой теории тяготения.

Что обещало дальнейшее развитие теории струн?

Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным побочным результатам в математике, включая создание новых структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, Хокинг часто встречал физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования в области алгебраической геометрии.

Хокинга как космолога в теории струн больше всего интересовал вопрос создания оригинальных суперструнных сценариев рождения и эволюции нашего Мира. Хокинг полагал, что Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе этого лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего Мира.

Конечно, тут возникали очень интересные вопросы. Во-первых, что же предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке — зародыше нашей Вселенной. Во-вторых, как повлияли микро-мега-суперструны на эволюцию Вселенной, а также изменение их физических характеристик при этом. С помощью гипотезы мегаскопических суперструн Хокинг пробовал объяснить и переход этапа равномерного расширения в ускоренное около 8 миллиардов лет назад. По его мысли суперструны на всех этапах своего «растяжения» каким-то образом должны были взаимодействовать и с таинственными темной материй и энергией, хотя бы по той простой причине, что они составляют основное содержание Метагалактики. А поскольку исследование этих загадочных субстанций идет полным ходом во многих направлениях, появляются некоторые надежды и на экспериментальное подтверждение столь экзотической теории. Во всяком случае для объяснения новых эффектов на сверхмощных ускорителях и для наблюдений галактических аномалий появляются новые очень необычные аргументы одной природы.

Теория струн также мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации «экстрапространства».

За полвека существования струнная парадигма прошла несколько взлетов и падений. Не менее четверти века с ней активно работал Стивен Хокинг. Участвовал кембриджский теоретик и в создании ответвления, широко известного даже среди дилетантов, как «М-теория». Это доминирующее сегодня теорфизическое направление основывается на концепции многомерных мембран. По меткому выражению приятеля Хокинга Хуана Малдасены, мембраны отличаются от струн примерно так же, как макароны от лепешек.

Согласно М-теории, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей, и внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны, обладающие р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной. Как же происходит переход от суперструн к мембранам?

На лекциях Хокинга это выглядело как настоящее квантовое волшебство: по мановению лазерной указки, скользящей по схемам, многомерная суперструна сворачивается в замкнутый контур и превращается в… многомерный тор!

Разумеется, для постороннего зрителя подобные топологические эволюции пространства-времени выглядят совершенно фантастично. Выходит, что прав профессор Хокинг, и в квантовых глубинах Мироздания физическая реальность скачкообразно непредсказуема и переменчива, к тому же сама граница между непрерывным и дискретным размыта. По его словам, там, в невообразимой глубине материи непрерывно бушует океан энергии, и человек когда-нибудь научится управлять этим неисчерпаемым ресурсом…

Образ вибрирующей струны или мембраны как геометризованного базиса всех элементарных частиц в общем-то довольно ясен, если, конечно, опустить сверхсложный математический аппарат. Вообще же говоря, на момент ухода выдающегося теоретика, физики еще далеко не полностью построили из струн и бран здание М-теории.