Вселенная Стивена Хокинга - Стивен Хокинг

В 1984 году интерес к теории струн оживился, по-видимому, по двум причинам. Во-первых, не наблюдалось сколько-нибудь значительного прогресса в исследованиях, призванных доказать конечность супергравитации или ее способность объяснить наблюдаемые типы частиц. Во-вторых, Джон Шварц совместно с Майком Грином из Колледжа королевы Марии в Лондоне опубликовали статью, где показали, что теория струн может объяснить существование частиц со встроенной «леворукостью», подобной той, что присуща некоторым наблюдаемым частицам. Так или иначе, множество исследователей стали развивать теорию струн, и вскоре был создан новый ее вариант, в основе которого лежит предположение о гетеротических струнах. Он, как казалось, мог объяснить типы частиц, которые мы наблюдаем.

В теориях струн тоже возникают бесконечности, но считается, что в версии теории, сходной с той, что рассматривает гетеротические струны, все они сократятся (правда, пока это не известно наверняка). Но у теорий струн есть более серьезная проблема: похоже, что они непротиворечивы, только если пространство-время имеет или десять, или двадцать шесть измерений вместо обычных четырех! Конечно, дополнительные измерения пространства-времени – обычное дело в научной фантастике – это идеальный способ обойти обычное ограничение общей теории относительности, которая не допускает движения со скоростью, превышающей световую, а также движения назад во времени (см. десятую главу). Идея состоит в том, чтобы пройти коротким путем через дополнительные измерения. Это можно вообразить следующим образом. Представьте себе, что мы живем в пространстве с двумя измерениями, которое искривлено наподобие поверхности спасательного круга или тора (рис. 11.7). Если вы находитесь на одной стороне внутреннего края кольца и хотите перебраться в точку на другой стороне, вам придется двигаться по кругу вдоль внутреннего края. Но если вы способны двигаться также и в третьем измерении, то сможете выйти за пределы кольца и пройти в пункт назначения прямо через центр кольца.

Рис. 11.7

Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они реально существуют? Почему мы воспринимаем только три пространственных измерения и время? Согласно предположениям, все дело в том, что остальные измерения свернуты в пространстве до очень малого размера – примерно трех миллионно-миллионно-миллионно-миллионных долей сантиметра. Это так мало, что мы просто не замечаем их: мы воспринимаем только одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. Оно похоже на поверхность соломинки. Если посмотреть на нее вблизи, то видно, что поверхность двумерна (положение точки на соломинке задается двумя числами – расстоянием вдоль соломинки и расстоянием вдоль кругового измерения). Но если взглянуть на соломинку издалека, то ее толщина незаметна и соломинка выглядит одномерной (положение точки на ней задается всего лишь расстоянием вдоль соломинки). Точно так же дело обстоит и с пространством-временем: на очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а на больших масштабах эта кривизна и дополнительные измерения незаметны. Если эта картина верна, то она не сулит ничего хорошего путешественниками во времени: дополнительные измерения слишком малы, чтобы через них мог пройти космический корабль. Правда, возникает еще одна большая проблема: непонятно, почему некоторые измерения свернуты в мельчайший шар, а некоторые – нет. По-видимому, в ранней Вселенной все измерения были сильно искривлены. Но почему же одно временное и три пространственных измерения выпрямились, а остальные остались плотно свернутыми?

Возможное решение – обращение к антропному принципу. Двух пространственных измерений, по-видимому, недостаточно, чтобы обеспечить возможность зарождения таких сложных существ, как мы. Например, двумерным животным, живущим на одномерной Земле, пришлось бы перелезать друг через друга, чтобы разойтись. А съев что-нибудь, двумерное существо не смогло бы полностью переварить это, и ему пришлось бы выводить остатки еды тем же путем, которым еда попала внутрь, потому что если бы у двумерного существа был сквозной проход через тело, оно разделилось бы на две половины – попросту распалось бы надвое (рис. 11.8). Трудно также представить себе кровообращение в двумерном организме.

Рис. 11.8

Проблемы возникнут также в случае наличия более трех пространственных измерений. Так, сила гравитационного притяжения между двумя телами уменьшалась бы с увеличением расстояния быстрее, чем в трехмерном пространстве. (В трех измерениях при увеличении расстояния вдвое сила притяжения уменьшается в четыре раза. В четырехмерном пространстве сила уменьшится в восемь раз, в пятимерном – в шестнадцать, и т. д.). Эти различия важны, потому что орбиты планет вокруг Солнца – например, орбита Земли – оказываются неустойчивыми: из-за малейшего возмущения круговой орбиты (например, вызванного силой притяжения других планет) Земля начнет двигаться по спирали от Солнца или к Солнцу. А потому мы либо замерзнем, либо сгорим. В действительности такая зависимость силы тяготения от расстояния в пространстве с более чем тремя пространственными измерениями означает, что Солнце не смогло бы существовать в устойчивом состоянии при равновесии между давлением и силой тяжести. Солнце либо распалось, либо коллапсировало бы в черную дыру. В любом случае оно не смогло бы служить источником тепла и света для жизни на Земле. На меньших масштабах электрическая сила, которая удерживает электроны на орбитах вокруг атомного ядра, зависела бы от расстояния так же, как и гравитационная сила. Следовательно, электроны либо покинули бы атом окончательно, либо, двигаясь по спирали, упали бы на атомное ядро. В любом случае атомов в привычном нам понимании не было бы.

Похоже, стало ясно, что жизнь (во всяком случае в том виде, в каком мы ее знаем) может существовать только в таких областях пространства-времени, где одно временно́е и ровно три пространственных измерения не свернуты до малого размера. В этих обстоятельствах можно обратиться к слабому антропному принципу, если удастся доказать, что теория струн как минимум допускает существование таких областей во Вселенной – и, похоже, это действительно так. Во Вселенной вполне могут иметься и другие области, равно как могут существовать и другие вселенные (что бы это ни значило), где все измерения свернуты до малого размера или где насчитывается более четырех почти плоских измерений. Но в таких областях и в таких вселенных не будет разумных существ, которые могли бы наблюдать другое количество эффективных измерений.

Другая проблема состоит в том, что существуют как минимум четыре различные теории струн (одна теория открытых струн и три теории замкнутых струн) и миллионы способов сворачивания лишних измерений, предсказываемых такими теориями. На каком основании следует выбрать ту или иную теорию и способ сворачивания? Одно время казалось, что на этот вопрос нет ответа, и прогресс остановился. Потом, начиная примерно с 1994 года, ученые стали обнаруживать так называемые дуальности: разные теории струн и разные способы сворачивания лишних измерений могли приводить к одинаковым результатам в четырех измерениях. К тому же кроме частиц, занимающих одну точку в пространстве, и струн, представляющих собой линейные объекты, были обнаружены и другие сущности под названием p-браны – двумерные объекты и объекты с бо́льшим числом пространственных измерений. (Частицу можно рассматривать как 0-брану, а струну – как 1-брану, но есть также p-браны с числом измерений от p = 2 до p = 9.) Это, похоже, свидетельствует о демократичном характере отношений между теорией супергравитации, теорией струн и теорией p-бран: они, по-видимому, согласуются друг с другом, но при этом ни одна из них не может считаться более фундаментальной, чем другие. Похоже, все они представляют собой разные приближения к некоей более фундаментальной теории, причем применимые в разных ситуациях.