На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

«Самая глубокая вещь, которую мы знаем о гравитации, – нацарапала я, – что она возникает как голографическая проекция. Что это иллюзия. Что она не реальна».

– Значит ли это, что квантовая физика и пространство-время – два способа посмотреть на одно и то же? – спросила я.

– Ну, между этими двумя существует определенная конкуренция, и голография означает, что квантовая механика побеждает, – сказал он. – Квантовая теория остается неизменной. А взгляд на природу пространства-времени меняется.

– Потому что оно больше не инвариант?

– Вот именно, – сказал Полчински. – Пространство-время больше не считают фундаментальным.

Открытие D-бран привело не только к AdS/CFT-соответствию, оно также предвосхитило так называемую вторую суперструнную революцию. Первая революция произошла тогда, когда Шварц и Грин поняли, что теория струн была теорией квантовой гравитации. Это был крупный шаг вперед – до тех пор, пока не были открыты пять теорий квантовой гравитации, и прогресс в этой области застыл в ожидании очередной революции.

Вторая революция началась в 1995 году, когда Эд Виттен предположил, что все пять струнных теорий могут быть разными аспектами одной и той же теории, которую он назвал M-теорией. Но только после того, как Полчински открыл D-браны, он смог это доказать.

Воспользовавшись D-бранами, Виттен сумел вывести все пять теорий струн из единой М-теории. На самом деле, чтобы сделать это, он должен был включить в М-теорию еще одну теорию. Только это была не теория струн. Это была теория, известная как супергравитация.

Супергравитация появляется в теории, когда вы вводите в нее суперсимметрию локально, а не глобально. Я уже понимала, как локальная симметрия работает в калибровочной теории: на волновую функцию можно смотреть под разными углами, при этом у нее должна меняться фаза. Однако из-за того что скорость света конечна, изменение фазы волновой функции не может произойти во всем пространстве сразу, и она меняется локально. В результате фаза в разных точках оказывается рассогласованной, что мы интерпретируем как присутствие взаимодействия или силы.

Суперсимметрия – это симметрия, которая позволяет вам заменять в теории фермионы бозонами, и наоборот, но и тут конечность скорости света запрещает вам проделывать это во всем пространстве одновременно. Это означает, что если фермионы и бозоны поменялись местами в вашей системе координат, то из этого еще вовсе не следует, что то же случилось с ними и в любой другой. Снова возникает рассогласование, и вам требуется какая-то сила, чтобы залатать брешь. Какая сила нужна для починки суперсимметрии? Как ни удивительно, это гравитация. Только теперь гравитону требуется суперсимметричный партнер, гравитино. Вместе гравитон и гравитино образуют новое взаимодействие – супергравитацию.

Точно так же, как обычная гравитация компенсирует разницу в том, что видят ускоренный и инерциальный наблюдатели – чтобы совместить кривую и прямую линии, надо свернуть лист бумаги, супергравитация компенсирует тот факт, что частица, которая выглядит как фермион для одного наблюдателя, может выглядеть как бозон для другого.

С помощью D-бран Виттен смог, наконец, показать, что все пять десятимерных теорий струн плюс одиннадцатимерная супергравитация представляли собой различные аспекты единой M-теории, соотносящиеся одна с другой с помощью дуальностей, таких как T-дуальность и S-дуальность, которые устанавливают соответствие между состояниями с высокими энергиями в рамках одной теории струн и состояниями с низкими энергиями в рамках другой. Это означало, что вы могли начать с любой из шести теорий и, используя дуальности, перейти к любой другой. Если вы начинаете с одиннадцатимерной супергравитации и компактифицируете одну из размерностей в окружность, вы получите теорию струн типа IIA; а если компактифицируете одну из размерностей в отрезок, то вы получите SO (32). Достаточно повысить энергию в SO (32) – и вы окажетесь в низкоэнергетическом режиме теории струн типа I; применить T-дуальность к SO (32) – и вы в E8 × E8. Повысите энергию в E8 × E8, и возникнет дополнительное измерение пространства-времени, что приведет вас обратно к одиннадцатимерной супергравитации.

Было ясно, что D-браны дают в руки мощный инструмент. Но насколько реальные объекты им соответствуют? У меня были свои подозрения. D-браны состояли из пространства-времени, а, по словам Полчински, пространство-время не фундаментально.

– D-браны фундаментальны? – попросила уточнить я.

– D-браны – это еще не окончательный ответ, – сказал он. – Но в некоторых отношениях они ближе к окончательному ответу, чем сами струны. Струны были неверной отправной точкой. Намного ближе к ней голографический принцип. Теория струн… – он запнулся. – Я не хочу сказать, что она уже не актуальна, но…

Я рассмеялась:

– Но она уже не актуальна?

– Возьмем, к примеру, черные дыры и возьмем кварк-глюонную плазму: достаточно чего-то одного, чтобы понять другое, – сказал Полчински. – И вам не нужна для этого теория струн. Струн нет ни на одной из сторон этой дуальности, но они обеспечивают логическую связь, которая превращает одно в другое. Теория – это больше не теория струн. Струны появляются в одном классическом пределе. А нам нужна единая теория.

– М-теория? – спросила я.

– Совершенно верно.

– Поэтому было бы неправильно думать, что «мир состоит из струн».

– Совсем неправильно.

На самом деле, мне стало ясно: вообще было бы неправильно утверждать, что мир состоит из чего-либо. Наборы частиц, образуемые из элементарных струн, которым надлежит быть фундаментальными составляющими реальности, в каждой из пяти теорий струн – свои. Вы можете подумать, что этого уже достаточно для вердикта о принципиальном различии пяти теорий между собой, но тогда вы упустите половину истории. Если для каждой теории струн вы перечислите все элементарные частицы и все композитные частицы – частицы, состоящие из нескольких струн, списки частиц вдруг окажутся идентичными. Элементарная частица в одной теории оборачивается композитной в другой; и все же, благодаря дуальностям, все пять теорий в равной степени верны.

Мой папа у доски в Институте теоретической физики Кавли.

Фото: А. Гефтер.

Это был мощнейший удар по всей редукционистской затее – той самой, которая на протяжении веков заставляла ученых думать, что если они найдут те мельчайшие объекты, из которых сделано все остальное, то они поймут, как работает мир. Это был также мощный удар по каждому, кому случалось путешествовать с отцом на автомобиле вдоль калифорнийского побережья в поисках окончательной реальности. Теория струн с полной ясностью показала: не существует базовых ингредиентов. Некоторые только кажутся базовыми, в зависимости от точки зрения.