Теория струн

             Сегодня в физике господствуют две великие теории: квантовая теория  и общая теория относительности Эйнштейна. Замечательно, что вместе они представляют всю сумму физических знаний на фундаментальном уровне. В то же время эти теории во всем противоположны друг другу, они используют разную математику, разные аксиомы и разную физическую картину мира. При взгляде на них создается впечатление, что у природы две руки, совершенно не связанных друг с другом. Мало того, все попытки объединить обе теории не привели ни к каким разумным результатам. На протяжении полувека каждый физик, пытавшийся под дулом пистолета поженить квантовую теорию и общую теорию относительности, неожиданно для себя обнаруживал, что при любой попытке добиться своего, теория разлетается в клочья и дает в ответ бесконечность, лишенную всякого смысла. Все изменилось с появлением на сцене теории суперструн.
Эта теория утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.

            Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, то она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет  —  с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество?
Первое серьезное предположение, имеющее отношение к теории всего, было выдвинуто около 500 г. до н.э.; считается, что примерно в это время греки-пифагорейцы разгадали математические законы музыки. Проанализировав узлы и колебания лирной струны, они сумели показать, что музыка подчиняется замечательно простым математическим правилам. Затем появились рассуждения о том, что, может быть, гармониями лирной струны можно объяснить все в природе. (В каком-то смысле современная теория струн возродила к жизни мечту пифагорейцев!)

            Но у теории суперструн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности  — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится.

            Разумеется, наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное). Это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты, подобно пятому измерению Калуцы.
На сегодняшний день теория струн является ведущим (и единственным) кандидатом на роль теории всего. Но возникла, естественно, и отрицательная реакция. Оппоненты утверждают: теперь, чтобы получить постоянную должность в одном из лучших университетов, вы должны непременно работать над теорией струн. Если вы не занимаетесь этой теорией, останетесь без работы. Это повальное увлечение сегодняшнего дня — и физика, разумеется, от этого страдает.
Я только улыбаюсь, когда слышу подобные высказывания, — ведь физика, как любое другое человеческое занятие, подвержена увлечениям и моде. Судьбы великих теорий, особенно тех, что рождаются на острие человеческого познания, могут испытывать неожиданные и даже случайные взлеты и падения. Вообще, ситуация поменялась не так уж давно; исторически именно теория струн была изгоем, теорией-отступником и жертвой мейнстрима.

            Теория струн зародилась в 1968 г., когда два молодых свежеиспеченных доктора — Габриель Венециано и Махико Судзуки — наткнулись на формулу, описывавшую вроде бы столкновения субатомных частиц. Вскоре обнаружилось, что эта чудесная формула может быть получена как описание столкновения колеблющихся струн. Но к 1974 г. работа над этой теорией практически замерла. Появившаяся на горизонте новая теория — квантовая хромодинамика, или теория кварков и сильного взаимодействия, — подобно колеснице Джаггернаута, давила своей мощью все остальные теории. Физики толпами бросали теорию струн ради работы над новой многообещающей теорией. Все финансирование, все рабочие места и признание доставались ученым, работавшим над кварковой моделью.

           Я хорошо помню те темные годы. Над теорией струн продолжали работать только отъявленные упрямцы и авантюристы. А когда выяснилось, что струны, о которых идет речь, способны колебаться только в десятимерном пространстве, теория вообще стала объектом насмешек.
Пионер теории струн Джон Шварц из Калифорнийского технологического иногда сталкивался в лифте с Ричардом Фейнманом. Фейнман, всегда любивший пошутить, частенько спрашивал: «Ну, Джон, сколько измерений в пространстве, где вы сегодня находитесь?» Мы даже шутили, что единственное место, где можно найти физика-теоретика — специалиста по теории струн, — это очередь на биржу труда. (Нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн, основатель кварковой модели, однажды признался мне, что из жалости к теоретикам-струнникам организовал у себя в Калифорнийском технологическом институте «заповедник для вымирающего вида, специалистов по теории струн», чтобы люди вроде Джона не лишились работы.)
Говоря о том, что сегодня многие молодые физики стремятся работать над теорией струн, Стив Вайнберг написал: «Теория струн представляет собой на данный момент единственного претендента на роль окончательной теории, — так можно ли ожидать, что многие способнейшие молодые теоретики не захотят работать над ней?»

           Один вопрос по поводу теории струн по-прежнему не дает покоя: почему эта теория существует ни много ни мало —  в пяти версиях? Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. Это довольно неприятно, ведь физики в большинстве своем мечтали о единой и единственной «теории всего». Эйнштейн, к примеру, хотел узнать, «был ли у Бога выбор при сотворении Вселенной». Он был убежден, что единая теория поля, или теория всего, должна быть уникальна. Так почему же сегодня мы видим пять версий теории струн?

           В 1994 г. в научном мире взорвалась еще одна бомба. Эдвард Уиттен из Института перспективных исследований в Принстоне и Пол Таунсенд из Кембриджского университета выдвинули предположение о том, что все пять теорий струн на самом деле представляют собой одну теорию — но только если добавить одиннадцатое измерение. При взгляде из одиннадцатого измерения все пять теорий сольются в одну!

           В одиннадцатом измерении может существовать новый математический объект, получивший название «мембрана» (к при меру, она может быть подобна поверхности сферы). Но — поразительное наблюдение — при переходе от 11 измерений к 10 из единственной мембраны появляются все пять струнных теорий — и получается, что они представляют всего лишь разные пути перевода мембраны из одиннадцатимерного мира в десятимерный.
Одиннадцатое измерение позволило нам по-новому увидеть всю картину. Возникло также предположение о том, что наша Вселенная — тоже мембрана, плавающая в одиннадцатимерном пространстве-времени. Более того, не все измерения при этом должны быть свернуты до бесконечно малых величин. Наоборот, некоторые из них могут быть бесконечными.

           А что, если наша Вселенная, вместе с другими вселенными, существует в некой единой Мультивселенной? Представьте себе множество парящих в воздухе мыльных пузырей, или мембран. Каждый мыльный пузырь олицетворяет собой целую вселенную, плавающую в одиннадцатимерном гиперпространстве большего размера. Пузыри способны объединяться друг с другом или разделяться на несколько пузырей, они способны даже возникать и исчезать. Не исключено, что мы все живем на оболочке одного такого пузыря-вселенной.
В пользу теории Мультивселенной говорит, по крайней мере, один факт. Если проанализировать основные физические константы, можно без труда обнаружить, что они очень точно «настроены» на то, чтобы в этих условиях могла существовать жизнь. Стоит увеличить ядерные силы — и звезды будут выгорать слишком быстро, чтобы жизнь успела возникнуть и развиться. Стоит их уменьшить — и звезды не будут вспыхивать вообще; естественно, жизнь в этом случае тоже не сможет существовать. Если увеличить силу тяготения, наша Вселенная быстро умрет в Большом сжатии; если ее немного уменьшить, она быстро расширится и замерзнет. Вообще, для того, чтобы в нашей Вселенной возникли подходящие для жизни условия, необходимы были десятки «случайностей», имеющих отношение к мировым константам. Очевидно, наша Вселенная по многим параметрам находится в «зоне жизни»; очень многое в ней «точно подобрано» для того, чтобы жизнь могла зародиться и существовать.

           Поэтому нам придется сделать вывод либо о существовании некоего Бога, который намеренно позаботился о том, чтобы наша Вселенная получилась такая, какая надо, либо о существовании миллиардов параллельных вселенных, многие из которых мертвы. Это так называемый антропный принцип. В слабом варианте этот принцип просто утверждает, что параметры нашей Вселенной точно настроены именно для жизни (и в первую очередь потому, что мы существуем и можем сделать такой вывод). В сильном варианте антропный принцип утверждает, что наше существование, возможно, является побочным результатом чьих-то целенаправленных действий.

           Как я уже упоминал, лучшим кандидатом на роль теории всего является сегодня теория струн; но у этой точки зрения есть и противники, считающие, что она не оправдывает ожиданий. Одно из главных возражений против теории струн состоит в том, что ее невозможно проверить. Ее противники утверждают, что для реальной проверки этой теории потребовался бы ускоритель частиц размером с галактику. Но критики забывают о том, что очень многое в науке делается отнюдь не прямо; очень часто результат проще получить косвенным путем. Никто еще не побывал на Солнце, чтобы провести непосредственные измерения, но мы можем анализировать спектральные линии солнечного света и потому знаем, что Солнце состоит из водорода.


*Подготовлено  по материалам книги Митио Каку «Физика невозможного», Альпина нон-фикшн, 2009. Печатается с разрешения  владельца авторских прав.