Мир, вытянутый в М‑струнку

Сейчас, по мнению многих ученых, среди теорий, притязающих на универсальность, наиболее перспективна «теория струн», которую, действительно, можно назвать «революционной модификацией теории Эйнштейна». По словам американского физика Гордона Кейна, «возможно, теория струн или один из ее вариантов позволят нам не только вычислить массу электрона и другие величины, но и обосновать свойства пространства‑времени и правила квантовой теории».

Главная ее идея родилась еще в 1968 году, но не вызвала интереса ввиду некоторых очень странных допущений – их приходилось делать одно за другим. Это выглядело полнейшим произволом в теории.

Все началось с того, что британский физик Майкл Грин и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что квантовая механика несоединима с общей теорией относительности потому, что элементарные частицы априори считаются бесконечно малыми точками. Все изменится, если предположить, что они имеют конечные размеры – например, напоминают крохотную одномерную нить. Допустим, Вселенная на недоступном нам микроуровне – основе ее основ – заполнена незримыми нитями, или – почему бы их так не назвать? – струнами (strings). Их длина не может быть меньше 10^‑33 (десять в минус тридцать пятой степени) сантиметра; это – природная константа, мельчайший квант длины.

^{Так художник представляет себе незримые энергетические «струны», из которых, возможно, состоит все наше мироздание}

По данной идее, которую трудно поверить рассудком, все элементарные частицы – электроны, протоны, кварки – представляют собой не что иное, как вибрации тех незримых струн. Каждый из «квантовых тонов» соответствует определенной частице, например, кварку или электрону. Сами «струны» представляют собой энергию в чистом виде.

Итак, все известные нам «кирпичики мироздания» возникают подобно звукам, рождаемым при колебании гитарной струны. Внезапно все наполнилось протяжными, вибрирующими звуками… Это – мелодии, долетающие из невидимого Ничто в микромир, чтобы потом эхом – сложной симфонической картиной – отозваться в макромире, порождая зримые образы объектов. Из звучания этих струн рождается опус, который носит название «Вселенная».

^{Итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн}

Правда, нечто подобное высказывали и до Шварца с Грином, но на эту идею не обратили внимания, ведь она не поддавалась математическому решению. Струны «отказывались» вибрировать в трехмерном пространстве. Тогда – фантазировать так фантазировать! – Шварц и Грин (при одном звуке их фамилий вспоминаются сказочник Евгений Шварц и мечтатель Александр Грин) решили следовать лишь неумолимой логике, игнорируя любые практические соображения. Выяснилось, что в десятимерном пространстве эта теория вполне справедлива. Абсурд! – который, на первый взгляд, был хорош только одним: математически точно связывал все несоединимое прежде.

Значит, если следовать данной логике, мы живем… в десятимерном пространстве? И те же электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных? Быть может, наша Вселенная – всего лишь одна из граней этого пространства? «И наша неспособность воспринимать все десятимерное великолепие пространства, – пишет на страницах журнала «Scientific American» итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн, – объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц?»

Как подчеркивал B.C. Барашенков, «в это десятимерное пространство может быть вложено огромное число трехмерных миров. Не означает ли это, что где‑то по соседству с нашей существует множество других “параллельных” вселенных и мы можем ждать не только радиосигналов с далеких звезд, но и гравитационных телеграмм из других измерений?»

Триада ортов X, Y, Z – эта ортогональная проекция, угадываемая в любом углу наших комнат и кабинетов, – мешала следовать данной логике. Окружающее нас пространство было трехмерным; оно знало лишь длину, ширину, высоту, да еще «перпендикулярно» всей действительности, из прошлого в будущее, текло время.

Если же довериться выводам Шварца и Грина, то сказочные чудеса будут подстерегать нас на каждом шагу: в запертом помещении станут сами собой исчезать или появляться предметы, содержимое кошелька неожиданно растворится в воздухе, чтобы отыскаться в кармане вашего соседа по вагону метро; закон сохранения энергии и импульса будет нарушаться на каждом шагу. Мыслимо ли такое?

Что ж, пришлось признать, что большая часть размерностей… бесконечно мала. Они никак не проявляются в окружающем нас мире и не играют, очевидно, в нем никакой роли. Они свернуты в крохотные клубочки величиной с саму струну и недоступны для измерения. Они таятся где‑то в глубинах микромира – в этом причудливом мире, который, как кажется нам сейчас, еще менее понятен, чем астрономическая даль, эта россыпь галактических скоплений, уходящих в неизвестность. Значит, в любой точке четырехмерного пространства‑времени скрывается подобный клубочек свернутых размерностей, которые, пусть и остаются невидимы, но вполне могут определять свойства элементарных частиц, например, их массу и электрический заряд.

Столь вольное обращение с пространственными измерениями было, впрочем, в традициях физики. В 1921 году польский исследователь Теодор Калуца попробовал описать электромагнитные силы… как результат искривления пространства в гипотетическом четвертом измерении. Его шведский коллега, Оскар Клейн, пытаясь приблизить к практике эту чисто математическую модель, придал четвертому измерению микроскопически малые размеры. По его расчетам, оно соответствовало постоянной Планка, то есть десяти в минус тридцать третьей степени сантиметра. Спустя десятилетия ученые вновь вернулись к такого рода математическим моделям. И даже заново описали историю нашей многомерной Вселенной.

По мнению Шварца и Грина, лишь вспышка Большого Взрыва высветила размерности, скрытые во Вселенной. Из их множества по какой‑то странной причине выкристаллизовались всего четыре нормальные размерности. Все они – видимые и невидимые – несомненно, очерчивают одно: пределы нашего знания. За ними пребывает Ничто, не воспринимаемое нами никак и не постижимое никем и никогда.

Подобная гипотеза противоречила всем прежним воззрениям. Кроме того, проверить ее экспериментальным путем было нельзя. Согласно расчетам, длина струны составляет всего десять в минус тридцать третьей степени сантиметра, что опять же примерно соответствует постоянной Планка. Итак, струна в 100 000 000 000 000 000 000 (сто миллиардов миллиардов) раз меньше протона. Следующее сравнение поможет понять пропорции. Если бы удалось увеличить струну хотя бы до полусантиметра, то атом водорода достиг бы размеров Млечного Пути.

Согласно теории струн, сразу после Большого Взрыва десятимерное пространство свернулось в крохотный шар. Его диаметр был в 10²⁰ (десять в двадцатой степени) меньше диаметра атомного ядра. Затем четыре размерности стремительно вытянулись, образовав мир, в котором мы живем. Остальные шесть остались крохотными и незримыми. Можно сравнить размерности мироздания с десятью маленькими почками. Из четырех «почек» выросли привычные нам пространство и время; остальные так и не проклюнулись.

… Стоит передохнуть от абсурдных открытий и сделать теологический экскурс. В «Евангелии от Иоанна» сказано: «В начале было Слово». С фонетической точки зрения, слово состоит из гласных и согласных звуков, заставляющих по‑разному вибрировать наш слуховой аппарат. Итак, эту знаменитую фразу – если обращаться с ней так же вольно, как Грин и Шварц с картиной мира, – можно истолковать в том смысле, что в начале всех начал была вибрация, породившая все мироздание. Отсюда легко перейти к новейшему научному убеждению: «В начале была Струна». Именно колебания струн породили весь зримый мир.

Теперь весь вопрос был в том, имеет ли эта умозрительная философия хоть что‑то общее с действительностью. Теоретиков успокаивал пример Эйнштейна. В свое время он тоже отказался от привычных представлений о пространстве и времени и был прав. Возможно, так произойдет и с теорией струн.

^{В 1999 году в Потсдаме (Германия) состоялась международная конференция по теоретической физике, на которой четыре сотни ученых обсуждали единую формулу мироздания. На этой фотографии участники конференции; на переднем плане Стивен Хоукинг}

Однако у многих ученых эта идея по‑прежнему вызывала скепсис. Для них казалось неприемлемым решать сложную физическую проблему с помощью легкомысленных трюков. Знаменитый физик Ричард Фейнман, преподававший вместе с Шварцем в Калифорнийском технологическом, на каждом шагу посмеивался над своим «незадачливым» коллегой. Едва завидев его, Фейнман говорил: «Ну что, в каком измерении ты сегодня живешь?»

Ключевую роль в судьбе этой идеи сыграл небольшой симпозиум физиков, проводимый каждое лето в одном из курортных местечек в Скалистых горах. Здесь в 1984 году Грин и Шварц показали коллегам, что, соединяя гравитационную теорию с квантовой механикой, можно избавиться от пресловутых «бесконечных величин», если только взять за основу «теорию струн».

Постепенно многие физики перешли на их сторону. И все из‑за мороки с гравитацией! За их лабильность их ждала награда: в «теории струн» неизбежно появлялась новая элементарная частица, которая обладала свойствами гравитона – особой,

не найденной пока частицы, якобы передающей действие гравитации. В отличие от некоторых других элементарных частиц, например, электрона, частица гравитации свободно перемещалась во всем десятимерном пространстве.

В последующие годы на основе «теории струн» возникло несколько разных концепций. Все они притязали на то, что абсолютно точно описывают мироздание. Какая из них верна? «Если одна из них описывает наш мир, то кто живет в остальных?» – так образно обрисовал эту проблему американский физик Эдвард Уиттен, один из крупнейших специалистов в области «теории струн».

Воистину судьбоносной для нее оказалась конференция физиков, проведенная в 1995 году в Лос‑Анджелесе. Тот же Эдвард Уиттен предложил выход из тупиковой ситуации: так называемую «М‑теорию».

Согласно ей, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей. Его частными случаями являются все «открытые на кончике пера» десятимерные Вселенные. Внутри него скрываются многомерные мембраны – так называемые р‑браны. Они обладают р‑размерностью. Так, 0‑брана – это некая точка в пространстве, 1‑брана – это знакомая нам струна, а 2‑брана – некая плоскость, называемая обычно мембраной… Подобным образом можно истолковать и браны более высоких размерностей. Так, стремительные колебания струн были заменены вибрациями мембран, напоминающих, как шутят физики, своего рода «мыльные пузыри», сплетенные из множества крохотных струн, причем, по предположению ряда теоретиков, некоторые частицы, например, гравитоны, не прикреплены к мембранам и свободно перемещаются по всему многомерному пространству.

Итак, наша Вселенная – одна из многих мембран, дрейфующих в этом пространстве. Иногда мембраны сталкиваются, и тогда в них происходит очередной Большой Взрыв. Потом они расходятся, ускоренно расширяются и сближаются вновь, чтобы столкнуться. Впрочем, это лишь гипотетическая модель.

Сама же теория струн, которая скоро отметит свое сорокалетие, по‑прежнему далека от того, чтобы занять место на страницах школьных учебников. Образ вибрирующей струны или мембраны – как «основы основ» всех элементарных частиц – очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Как иронично замечают сами физики, он «уводит нас в джунгли различных способов компактификации (свертки) лишних измерений, топологических особенностей экстраразмерностей и прочих очень трудных и абстрактных проблем». Пока ученые не могут даже завершить детальное описание М‑теории, ведь Уиттен лишь постулировал ее. Для ее описания понадобится большая часть известных математических методов, в том числе тех, которые долгое время считались совершенно бесполезными. Как иронично заметил Уиттен, «теория струн – это физика XXII века, случайно попавшая в XXI век».