Книга: Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
Назад: Странная парочка
Дальше: Принципиально новая дорога, ведущая к теории всего
Теория всего и теория струн
Всеобъемлющая физическая теория, которая объединит квантовую механику и общую теорию относительности, сможет описать все на свете, начиная от Большого взрыва и заканчивая элементарными частицами. Так есть ли у нас сейчас ведущий кандидат на роль этой теории всего?
В конце XIX столетия атомы считались самыми маленькими «строительными кирпичиками» материи. Затем была открыта их структура: ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и электроны, снующие вокруг ядра. В 1960-е годы атом был разделен еще дальше. Так, сначала теоретически, а затем и экспериментально было определено, что протоны и нейтроны состоят из еще более маленьких частиц, названных кварками. Означают ли эти структурные слои, что деление бесконечно? Все теоретические и экспериментальные свидетельства, собранные до сих пор, говорят, что это не так и что кварки лежат на самом дне мироздания. Сейчас мы полагаем, что кварки – это фундаментальные строительные блоки материи, также как и семейство частиц, называемых лептонами, к которым относится электрон (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Стандартная модель: наши современные представления о строительных кирпичиках, из которых состоит материя, и о силах, связывающих их между собой
Кварки и лептоны, входящие в состав вещества, довольно сильно отличаются от бозонов, являющихся переносчиками взаимодействий в природе. Поэтому для всех оказалось большим сюрпризом открытие, сделанное теоретиками в 1970-е годы. Было показано, что можно вывести уравнения, которые не будут изменяться, если одни частицы заменить другими. Это предполагает существование в природе нового типа симметрии. Точно так же, как в силу своей симметрии внешний вид снежинки не изменяется, как бы мы ее не переворачивали, неизменный вид уравнений сводится к новой симметрии, называемой суперсимметрией. Одно из следствий этого заключается в том, что каждая частица в стандартной модели будет иметь своего суперсимметричного партнера. Но никто еще не нашел ни одного такого суперпартнера.
Суперсимметрия и супергравитация
Физики-теоретики, однако, по-прежнему увлечены суперсимметрией (см. также главу 6), поскольку она предсказывает гравитацию. Согласно математическим уравнениям теории суперсимметрии акт превращения частицы в ее суперсимметричную партнершу и наоборот идентичен ее движению сквозь пространство-время. Это означает, что суперсимметрия связывает свойства квантовых частиц и пространства-времени, делая возможным подключить сюда также и гравитацию. В результате получается теория, которая называется супергравитацией. Математические выкладки теории супергравитации привели к неожиданному следствию: пространство-время способно обладать только одиннадцатью измерениями и не более того.
Идея о дополнительных измерениях Вселенной возвращает нас к ранним попыткам объединения разных сил природы. В 1920-е годы немецкий физик и математик Теодор Калуца (1885–1954) добавил в теорию Эйнштейна пятое измерение для пространства-времени, в результате чего у гравитационного поля появились новые компоненты, похожие на компоненты электромагнитного поля. Но почему же мы не видим пятое измерение? В 1926 году шведский физик Оскар Клейн (1899–1974) предположил, что пятое измерение не похоже на другие четыре: оно свернуто в калачик, который слишком мал, и поэтому мы его не видим. Вообразите муравья на туго натянутой проволоке: с одинаковым успехом он в любой момент может передвигаться как вдоль по проволоке, так и по ее окружности. Но если мы смотрим на проволоку с расстояния, намного превышающего размеры муравья, проволока будет выглядеть фактически как одномерная линия. Вычисления Клейна показали, что дополнительное измерение должно иметь не более 10–35 м в поперечнике, а это слишком мало, чтобы быть замеченным даже на самых мощных современных ускорителях частиц.
Идея Калуцы и Клейна пребывала в спячке долгие годы, пока супергравитация не вернула ее к жизни, обогатив пространство-время семью новыми измерениями, находящимися в свернутом состоянии. Могут ли эти дополнительные измерения описать сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия? На первый взгляд, теория супергравитации выглядела весьма многообещающе, но и в ней нашлись изъяны. Во-первых, с помощью 11-мерной супергравитации трудно понять, как кварки и электроны соотносятся со слабым ядерным взаимодействием. Еще более серьезной оказалась проблема, разрушающая все попытки примирить гравитацию и квантовую теорию поля: когда мы используем уравнения супергравитации для вычисления некоторых процессов, результат обращается в бесконечность.
Колебания струн
Как альтернатива возникла теория суперструн, в которой строительными кирпичиками материи являются не точечные частицы, а одномерные струны, живущие в пространстве десяти измерений. Подобно скрипичным струнам, они могут колебаться по-разному, и разные режимы колебания представляют собой различные элементарные частицы. Некоторые колебания струн могут описывать гравитоны, которые являются гипотетическими переносчиками гравитационного взаимодействия.
Все это выглядело как мечта физика-теоретика. В отличие от 11-мерной супергравитации, появилась возможность успешно вести дела со слабым взаимодействием. Кроме того, теория суперструн становится очень похожа на общую теорию относительности, если принять, что энергия гравитона достаточно мала. Но самое главное заключалось в том, что все бесконечности и аномалии, досаждавшие ученым в их прежних попытках применить квантовую теорию поля к общей теории относительности, перестали отравлять им жизнь. Казалось, это был надежный путь к объединению гравитации с квантовой механикой.
Однако после первой эйфории вновь начали закрадываться сомнения. Начнем с того, что существует не одна, а целых пять математически непротиворечивых теорий суперструн, и каждая претендует на звание теории всего. Теория суперсимметрии говорит, что Вселенная имеет максимум одиннадцать измерений, в то время как из уравнений теории суперструн следует, что их должно быть десять. И почему мы должны останавливаться на одномерных струнах? Почему не рассмотреть двумерные мембраны, которые могут принимать форму простыни или сводиться к поверхности пузыря?
Суперструны – то же самое, что космические струны?
Ответ – нет. А может быть, и да.Космические струны – это гипотетические дефекты в пространстве-времени, которые проявляются в виде линий концентрированной энергии длиной в миллиарды световых лет, настолько плотные, что отрезок длиной в 1 метр весит столько же, сколько целый континент. В отличие от них, суперструны имеют размер 10–35 метров, а масса их сравнима с массой элементарных частиц, с которыми мы имеем дело в настоящий момент.У нас нет доказательств существования космических струн, но некоторые космологи думают, что они могли сформироваться, когда остывала очень молодая Вселенная и квантовый вакуум проходил через серию фазовых превращений, сходных с таянием льда. Никакие суперструны были там не нужны. Но космические струны могли образоваться и другим путем, если быстрое расширение пространства в эпоху инфляции было способно захватить первозданные суперструны и растянуть их до космических пропорций.
Супермембраны
Выяснилось, что суперсимметрия и мембраны хорошо сочетаются друг с другом. Вычисления, проведенные в 1987 году, показали, что «супермембраны» могут существовать в 11-мерном пространстве-времени, которое следует из теории супергравитации. Долгие годы существовало два лагеря: «струнники» с их 10-мерной теорией и «мембранники», работающие в одиннадцати измерениях.
Все это собралось вместе в 1995 году под одним зонтиком, названным M-теорией, которая была разработана Эдвардом Виттеном в Институте перспективных исследований в Принстоне. По его словам, буква «М» означает либо магию, либо мистерию, либо мембрану – выбирайте себе по вкусу. Виттен показал, что пять разных теорий струн и супергравитация по сути являются различными гранями M-теории (см. также главу 5).
M-теория с ее мембранами смогла сделать то, что было не под силу сделать струнам. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут излучать энергию благодаря квантовым эффектам. А это означало, что они имеют температуру, а также обладают таким термодинамическим свойством, как энтропия, которая является мерой дезорганизации системы. Хокинг установил, что энтропия черной дыры зависит от площади поверхности ее горизонта событий. Казалось, что ее энтропию можно определить, учитывая все квантовые состояния частиц, из которых состоит черная дыра, но все попытки такого описания черной дыры потерпели неудачу. И тут на сцене появилась M-теория, в точности воспроизводя формулу энтропии Хокинга.
В 1998 году аргентинский физик Хуан Малдасена показал, что все события, происходящие внутри Вселенной, можно описать в M-теории с помощью взаимодействия частиц на ее границе. Этот «голографический принцип» может означать, что мы – всего лишь тени на границе Вселенной большего числа измерений.
Конкретный способ, с помощью которого скручены дополнительные измерения, диктуется внешним видом нашего четырехмерного мира, включая количество поколений кварков и лептонов, существующие силы и массы элементарных частиц. Сложность применения M-теории заключается в том, что существует много (возможно, бесконечно много) способов скручивания этих дополнительных измерений, что приводит к возникновению огромного количества возможных вселенных. Некоторые из них могут быть подобны нашей Вселенной, с тремя поколениями кварков и лептонов и четырьмя видами взаимодействий; многие будут выглядеть совсем по-другому. Но с теоретической точки зрения все они вполне вероятны. Таким образом, может существовать множество вселенных, в которых действуют разные физические законы, и в одной из таких вселенных посчастливилось жить нам с вами.
Можно ли назвать M-теорию окончательной «теорией всего»? Проверить это предположение трудно. Некоторые характерные особенности, такие как суперсимметрия или наличие дополнительных измерений, могут быть выявлены в экспериментах на ускорителях или с помощью астрофизических наблюдений, но в целом огромное разнообразие возможностей, предлагаемых мультивселенной, очень сильно затрудняет точные предсказания. Являются ли все законы природы, с которыми мы имеем дело, следствием фундаментальной теории или некоторые из них могли возникнуть по чистой случайности? Это вопросы первостепенной важности, и они могут еще долго оставаться без ответа. Поиски теории всего, по-видимому, являются наиболее амбициозной задачей, предпринятой учеными за все время существования науки. Никто еще не говорил, что нам будет легко на этом пути.
Первопроходцы струнной теории
В 1990 году Эдвард Виттен, внесший большой вклад в разработку теории струн, стал лауреатом Филдсовской премии, аналога Нобелевской премии для математиков. Это показывает, насколько тесно связаны математика и теория струн.Хуан Малдасена – еще один пример влиятельного современного физика. Его работа показывает, что физические законы и явления внутри определенной области Вселенной могут быть описаны теми событиями, которые происходят на границе этой области. Хотя его идея родилась в рамках M-теории, она способна привести к революционным изменениям во многих областях теоретической физики.
