Высший замысел

Хокинг Стивен Уильям

Может оказаться трудным объединить в одну теорию сильное взаимодействие с электромагнитным и слабым взаимодействиями, но эти проблемы ничто по сравнению с проблемой присоединения гравитационного воздействия к трем другим или даже с созданием отдельной квантовой теории гравитации.

Причина, по которой оказалось так трудно создать квантовую теорию гравитации, имеет нечто общее с принципом неопределенности Гейзенберга, рассмотренным нами в главе 4. Это не очевидно, но оказалось, что, согласно этому принципу, величина поля и скорость его изменения играют ту же роль, что и положение и скорость частицы, то есть чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие из этого заключается в том, что такого образования, как пустое пространство, нет. Это потому, что пустое пространство подразумевает, что оба значения — величина поля и скорость его изменения — строго равны нулю (в противном случае пространство не было бы пустым). А поскольку принцип неопределенности не позволяет ни полю, ни скорости его изменения обладать точным значением,

то пространство никогда не бывает пустым. Оно может находиться в состоянии минимальной энергии, которое называется вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию, или вакуумным флуктуациям, когда частицы и поля то появляются, то исчезают.

«Боюсь, что даже поместив все это в одну рамку, мы не получили единой теории».

Вакуумные флуктуации можно рассматривать как пары частиц, которые в какое-то время появляются вместе, разлетаются, потом соединяются и аннигилируют. На диаграммах Фейнмана они изображаются замкнутыми контурами. Эти частицы называются виртуальными. В отличие от реальных виртуальные частицы нельзя непосредственно наблюдать с помощью детектора частиц. Однако можно измерить их косвенные проявления, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, и эти измерения с высокой степенью точности согласуются с теоретическими предсказаниями. Проблема в том, что у виртуальных частиц есть энергия, а поскольку виртуальных пар бесконечное множество, то они могут обладать бесконечным количеством энергии. В соответствии с общей теорией относительности это означает, что они могут искривить Вселенную до бесконечно малого размера, чего на самом деле не происходит.

Эти проклятые бесконечности напоминают ту же проблему, что и в теориях сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, кроме тех случаев, в которых перенормировка приводит к устранению бесконечностей. Но замкнутые контуры на диаграммах Фейнмана для гравитации порождают такие бесконечности, которые не могут быть поглощены перенормировкой, поскольку в общей теории относительности нет достаточного числа перенормируемых параметров, чтобы удалить из теории все квантовые бесконечности. В результате мы остались с теорией гравитации, которая предсказывает, что определенные величины, такие как кривизна пространства-времени, являются бесконечными, что никоим образом не вписывается в пригодную для жизни Вселенную. Это означает, что единственная возможность получить практичную теорию — это каким-то образом избавиться от бесконечностей, не прибегая к перенормировке.

В 1976 году было найдено возможное решение этой проблемы. Оно называется теорией супергравитации. Слово «супер» было добавлено вовсе не из-за надежд физиков на то, что было бы «супер», если бы эта теория квантовой гравитации действительно оказалась работающей. «Супер» в данном случае относится к типу симметрии, присущему этой теории и называемому суперсимметрией.

В физике говорят, что система обладает симметрией, если на ее свойства не влияет определенная трансформация, такая, скажем, как вращение в пространстве или получение ее зеркального отображения. Например, если вы перевернете бублик, он все равно будет выглядеть точно таким же (если только с одной стороны он не покрыт шоколадом — в этом случае его лучше просто съесть). Суперсимметрия — это более тонкий вид симметрии, ее нельзя связать с трансформацией в обычном пространстве. Одно из важных значений суперсимметрии состоит в том, что силовые частицы и материальные частицы, а следовательно, сила и материя на самом деле всего лишь две грани одного и того же явления. Практически это означает, что каждая материальная частица, такая как кварк, должна иметь парную силовую частицу, а каждая силовая частица, такая как фотон, должна иметь парную материальную частицу. Здесь есть возможность для решения проблемы бесконечностей, так как оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров силовых частиц положительны, а бесконечности от замкнутых контуров материальных частиц отрицательны, а значит, бесконечности, возникающие из силовых частиц и из парных им материальных частиц, имеют тенденцию взаимно уничтожаться. К сожалению, расчеты, необходимые, чтобы выяснить, останутся ли в супергравитации бесконечности, избежавшие уничтожения, оказались столь длинными и сложными, а кроме того, подверженными столь большим возможностям возникновения ошибок, что никто не решился за них взяться. Тем не менее большинство физиков поверили, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации в единую теорию с другими видами фундаментальных взаимодействий.

Вы могли подумать, что обоснованность суперсимметрии было бы легко проверить — стоит только понаблюдать за свойствами существующих частиц и увидеть, объединяются ли они в пары. Таких парных частиц не наблюдалось. Но физики провели множество расчетов, которые показывают, что частицы, парные тем, которые наблюдаются, должны быть массивнее протона в тысячу раз, если не больше. На сегодняшний день слишком трудно обнаружить такие частицы экспериментальным путем, но есть надежда, что они все-таки будут получены на крупнейшем в мире ускорителе заряженных частиц — Большом адронном коллайдере, расположенном близ Женевы, на территории Швейцарии и Франции.

Концепция суперсимметрии явилась основой для создания теории супергравитации, но первоначально эта концепция возникла на

несколько лет раньше у теоретиков, занимавшихся новой теорией, названной теорией струн. Согласно теории струн, частицы представляют собой не точки, а вибрирующие отрезки, имеющие длину, но не имеющие высоты и ширины — что-то вроде бесконечно тонких отрезков струны. Теории струн тоже приводят к бесконечностям, но считается, что в правильной версии эти бесконечности уничтожатся. Эти теории имеют другое необычное свойство: они применимы только для десятимерного пространства-времени, но не для обычного четырехмерного. Десять измерений — это может звучать заманчиво для ученых, но если в таком пространстве вы забудете, где припарковали свою машину, у вас будут серьезные затруднения. Если эти дополнительные измерения действительно существуют, то почему же мы их не замечаем? Согласно теории струн, они искривлены в пространстве очень малого размера. Чтобы ощутить это, представьте себе двухмерную плоскость. Мы называем ее двухмерной, потому что для определения точки на ней требуется лишь два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты). Другое двухмерное пространство — поверхность соломинки. Чтобы определить положение точки в этом пространстве, нужно знать, где находится эта точка по длине соломинки и где — по ее окружности. Но если соломинка очень тонкая, вы получите весьма хорошее приблизительное положение, используя только координату вдоль длины соломинки, так что можно будет пренебречь измерением по окружности. Если же соломинка имеет диаметр в одну миллионную миллионной миллионной миллионной миллионной дюйма, то вы вообще не заметите ее размера по окружности. Так выглядят дополнительные измерения в представлении «струнных» теоретиков — сильно искривленными в столь малом масштабе, что не видны нам. В теории струн дополнительные измерения свернуты в так называемое внутреннее пространство, что отличается от трехмерного пространства, с которым мы имеем дело в повседневной жизни. Как мы увидим далее, эти внутренние состояния имеют важное физическое значение, а вовсе не представляют собой всего лишь скрытые измерения, так сказать, заметенные под ковер.

Кроме вопроса об измерениях теория струн отягощена еще одним затруднением: появилось по меньшей мере пять разных теорий и миллионы способов того, как эти дополнительные измерения могут быть свернуты, что вызвало большие затруднения у ее защитников, утверждавших, что теория струн — единственная,которая может называться теорией всего. Позднее, примерно в 1994 году, ученые начали открывать двойственности: оказалось, что различные теории струн и различные способы сворачивания дополнительных измерений — это лишь разные способы описания одних и тех же явлений в четырехмерном пространстве. Более того, обнаружилось, что теория супергравитации подобным же образом связана с другими теориями. И приверженцы теории струн теперь согласны с тем, что пять различных теорий струн и теория супергравитации — это лишь разные предпосылки к более фундаментальной теории, но каждая из них применима к той или иной ситуации.

Соломинки и линии. Соломинка на картинке двухмерна, но если ее диаметр довольно маленький или если смотреть издали, она кажется одномерной, как линия.

О том, что эта более фундаментальная теория называется М-теорией, мы уже упоминали. Похоже, никто не знает, что означает «М». Это может быть master (лучший), miracle или mystery (тайна). А похоже, что и все три слова сразу. Ученые по-прежнему стараются разгадать природу М-теории, но это может оказаться и недостижимым. Возможно, что характерная для физиков надежда обрести единую теорию природы окажется тщетной и единой формулировки не существует. А возможно, для описания Вселенной в разных ситуациях придется применять разные теории. Каждая теория может иметь собственную версию реальности, но, согласно моделезависимому реализму, это приемлемо, только если в местах взаимного перекрытия разные теории всегда дают одни и те же прогнозы, то есть можно пользоваться любой из них.

Независимо от того, существует ли М-теория как единое представление или как система разных теорий, нам известны некоторые из ее свойств. Во-первых, в ней имеется одиннадцать, а не десять пространственно-временных измерений.

Сторонники теории струн давно подозревали, что предсказание десяти измерений придется уточнить, и недавние работы показали, что одно измерение действительно было пропущено. Также М-теория может рассматривать не только вибрирующие струны, но и точечные частицы, двухмерные мембраны, трехмерные капли и другие объекты, которые трудно изобразить и которые требуют еще больше — до девяти — пространственных измерений. Такие объекты называются р-бранами (р-мерная мембрана), где «р» может принимать значения от 0 до 9.

А как же огромное число способов, с помощью которых можно свернуть крошечные измерения? В М-теории эти дополнительные пространственные измерения не могут быть свернуты как угодно. Математика этой теории ограничивает способы сворачивания измерений внутреннего пространства. Точная форма внутреннего пространства определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами. Иными словами, она определяет очевидные законы природы. Мы говорим «очевидные», поскольку речь идет о законах, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной, — это законы четырех сил (фундаментальных взаимодействий) и такие параметры, как масса и заряд, характеризующие свойства элементарных частиц.