Как заявляют сторонники теории суперструн, она может соединить три силы, которые управляют микромиром, – электромагнетизм, ядерную силу и слабое взаимодействие, а также объяснить элементарные частицы (кварки, глюоны и т. д.). Существование тяготения – на самом деле основной компонент этой теории, а не дополнительное препятствие, с которым надо бороться. Ключевая идея состоит в том, что фундаментальные сущности нашей Вселенной – это не точки, а крошечные петли струн, при этом различные частицы внутри атомного ядра – это разные типы вибраций – разные гармоники – этих струн. Струны имеют масштаб планковской длины; другими словами, они на много порядков меньше тех размеров, которые мы можем исследовать. Более того, эти струны вибрируют не в привычном нам пространстве из 3+1 измерений, а в десятимерном пространстве.

Идея существования дополнительных измерений не нова. Еще в 1920-х гг. Теодор Калуца и Оскар Клейн пытались расширить теорию пространства-времени Эйнштейна, введя в нее электрические силы. Они стремились представить себе электрические поля и движение частиц, добавляя дополнительную структуру к каждой точке обычного пространства. Дополнительное измерение было «закручено» в крошечных масштабах и никак не проявляло себя для нас, так же как очень туго свернутый лист бумаги выглядит как существующая в одном измерении линия, хотя на самом деле является двумерным. Теория Калуца – Клейна столкнулась с трудностями, но само понятие дополнительных измерений позже с пафосом вернулось. В теории суперструн каждая «точка» обычного пространства – сложная геометрическая структура в шести измерениях, свернутая в масштабе планковской длины.

Все физические теории имеют уравнения и формулы, описывающие техническую сторону дела (но, к счастью, не ключевые идеи) и непонятные для неспециалистов. Но в целом математическая основа уже разработана и может быть «взята с полки» физиками. Например, геометрические понятия, которые Эйнштейн использовал в своей теории «искривленного пространства-времени», были разработаны еще в XIX в. То же самое можно сказать и о математическом языке, с помощью которого описывается квантовый мир. Но суперструны задают задачи, которые сбивают с толку математиков. Скажем, есть ли какая-то особая причина, по которой Вселенная в конце концов остановилась на четырех «развернутых» измерениях (время и три пространственных измерения), а не на каком-то другом числе? Природа нашего мира и силы, управляющие им, полностью зависят от того, как «запакованы» дополнительные измерения. Как это случилось и есть ли другие варианты того, как это могло быть?

Теории суперструн впервые привлекли внимание в 1980-х гг. (хотя идеи появились на несколько десятков лет раньше), и с тех пор они поглотили усилия целой когорты великолепных знатоков математической физики. Первоначальный радостный энтузиазм сменился периодом разочарования из-за приводящей в замешательство сложности теории. Но с 1995 г. у суперструн началась «вторая жизнь». Ученые поняли, что дополнительные измерения могут «упаковываться» всего в пять различных классов шестимерного пространства. На более глубоком математическом уровне они могут быть разделены, но связанные структуры встроены в 11-мерное пространство. Более того, понятие струн (одномерных сущностей) может быть расширено до двумерных поверхностей (мембран). На самом деле в 10-мерном пространстве могут быть поверхности с бо́льшим количеством измерений: другими словами, если двумерную поверхность назвать 2-браной, может существовать и 3-брана, и т. д. Тем не менее по-прежнему существует непреодолимая пропасть между замысловатой сложностью 10-мерной теории струн и любым явлением, которое мы можем наблюдать или измерить.

Ранее уже случалось, что теории принимали всерьез, даже если у них не было прямой эмпирической поддержки, особенно в тех случаях, когда казалось, что они имеют неповторимую элегантность и правильность, – отдающаяся эхом доля истины, которая заставляет соглашаться. Например, в 1920-х гг. многие физики приняли ОТО Эйнштейна из-за ее великолепной содержательной концепции. Сейчас она подтверждена точными наблюдениями, но в начале своего существования доказательства были очень скудными. Самого Эйнштейна больше впечатляла элегантность его теории, а не какие-либо эксперименты. Подобным же образом в наши дни Эдвард Виттен, которого сейчас признают интеллектуальным лидером в области математической физики, сказал, что «хорошие неправильные идеи чрезвычайно редки, а хороших неправильных идей, которые могли хотя бы соперничать в величии с теорией струн, вообще никто не видел».

Тем не менее есть особые причины, не связанные с красотой, для того, чтобы испытывать оптимизм по поводу суперструн. Во-первых, это ОТО Эйнштейна, в которой тяготение понимается как искривление в четырехмерном пространстве-времени, а эта теория неизбежно встраивается в теорию суперструн. Долго являвшийся предметом поиска синтез между тяготением и квантовыми принципами, таким образом, должен появиться естественным путем.

Также эта теория уже предложила более глубокое понимание черных дыр. Эта история восходит к началу 1970-х гг. Якоб Бекенштейн, израильский физик, работавший в Принстонском университете, обдумывал последствия недавнего для того времени открытия, что черные дыры являются унифицированными объектами (об этом было упомянуто в главе 3). Это подразумевало, что они теряют любую память о том, как были сформированы. Казалось, существует огромное количество способов, которыми черные дыры могут добывать себе строительный материал – в них могут провалиться осколки, планеты, газ и даже космические корабли, – но какие-либо следы этих историй выглядели полностью стертыми. Бекенштейн заметил, что это напоминает рост энтропии, который происходит при смешении двух газов: множество возможных первоначальных состояний ведут к неразличимой структуре в конце. Потеря информации соответствует увеличению энтропии, и Бекенштейн пришел к выводу о том, что черная дыра может иметь энтропию, которая является мерой количества всех различных путей, которыми она могла быть образована. Если Бекенштейн был прав, то черные дыры должны также иметь температуру, и его идея была поставлена на более прочное основание, когда Хокинг на самом деле вычислил, что черные дыры не являются абсолютно черными, а испускают излучение. (Это излучение является слишком слабым, чтобы его можно было измерить, но может быть важным, если окажется, что мини-дыры размером с атом, описанные в главе 3, действительно существуют.)

Теории суперструн, которые описывают структуру пространства в планковских масштабах, позволили сделать еще одно открытие. Американский физик-теоретик Эндрю Строминджер в 1996 г. доказал, что черные дыры (пусть даже одного определенного вида) могут быть представлены как собранные из элементов масштаба струн, а заодно показал, как рассчитать количество «перестроений» этих крошечных строительных кирпичиков, которые ведут к той же самой дыре. Это число точно согласуется со значением энтропии, вычисленным Бекенштейном и Хокингом. Это, конечно, не эмпирическое доказательство, но оно повышает нашу уверенность в теории, поскольку расчеты основаны на более традиционной физике и она углубляет наше проникновение в таинственные свойства черных дыр.

Еще одна надежда – хотя в настоящее время она более противоречива и менее твердо обоснована – это надежда на то, что суперструны могут помочь проникнуть в тайны квантов. Ричард Фейнман сказал, что «никто по-настоящему не понимает квантовую механику». Она работает как по мановению волшебной палочки, большинство ученых применяют ее почти не задумываясь, но у нее есть свои «призрачные» стороны, о которые многие мыслители, начиная с самого Эйнштейна, «ломают зубы». Трудно поверить, что мы уже достигли оптимального ее понимания.

Даже если мы не можем непосредственно исследовать планковские величины, некоторые черты физического мира, который мы можем наблюдать, – например, особая ситуация, заключающаяся в том, что в микромире присутствуют три основные силы, особые виды частиц и т. д., – могут «выплыть» из теории суперструн, как, по всей видимости, и теория тяготения Эйнштейна. Если это случится, мы сможем быть полностью уверены во всей математической конструкции. Теория суперструн, как мы обсудим в следующей главе, может предложить всеобъемлющую теорию мультивселенной.