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

S-матрица – ее ввел Уилер в 1937 году, а через несколько лет заново переоткрыл Гейзенберг – позволяет начисто пропустить второй шаг. Это таблица вероятностей: вы задаете исходные состояния соударяющихся частиц, а S-матрица дает вероятности для конечных состояний частиц, рождающихся в столкновении.

Физики, однако, не могли решить задачу построения S-матрицы, которая учитывала бы результаты адронных столкновений, наблюдаемых в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так было до 1968 года, пока физик Габриель Венециано не решил эту проблему: он открыл уравнение S-матрицы для адронов. Но почему это уравнение работало? Никто не знал. Что именно оно описывало?

После месяцев затворничества на чердаке и размышлений над уравнением Венециано на Сасскинда снизошло прозрение.

Уравнение описывало колебания струны.

Сасскинд – и, независимо от него, Еитиро Намбу и Хольгер Бех Нильсен – предположил, что адроны должны состоять не из точечных, лишенных размера частиц, а из крошечных одномерных струн. Сасскинд тогда сказал, что точки на концах струны можно мыслить как кварки, а саму струну – как множество точечных частиц, называемых глюонами.

Это была классная идея, но в течение нескольких лет успешного развития квантовой хромодинамики она оказалась практически забыта. Почти. Только несколько одиноких физиков, в их числе Джон Шварц и Майкл Грин, не отказались от теории струн и более десятилетия работали фактически в полном вакууме.

К сожалению, никак не складывалась математика. Колебания струн были слишком энергичны, из-за этого приходилось делать их размер слишком маленьким, и они не могли быть адронами; значения спина тоже не согласовывались с наблюдениями. Протоны и нейтроны – частицы материи, фермионы, они обладают полуцелым спином. А спин струн получался целым, как у частиц излучения. Бозонов. Не обращая внимания на то, как на них смотрят, Шварц и Грин продолжали возиться со струнами, выглядевшими безмассовыми частицами со спином 2, определенно не похожими ни на какие адроны. Они были похожи на что-то совершенно другое. На гравитоны.

Шварц и Грин поняли, что теория струн – это не теория адронов. Это была квантовая теория гравитации. Кого волновало, что теория струн не описывает адроны? Это был Святой Грааль!

У теории оставалась единственная проблема – отсутствие фермионов. Струны естественно воспроизводили бозоны, но теория струн смогла бы претендовать на теорию всего, если бы она учитывала также фермионы. Если бы струнные теоретики могли найти способ преобразования бозонов в фермионы – частиц с целым спином в частицы с полуцелым спином, то эта проблема была бы решена. К счастью, такой способ есть – суперсимметрия.

В суперсимметричных пространствах вы можете заменой системы отсчета превратить частицу с целым спином в частицу с полуцелым спином. Это была та зависимость от наблюдателя, которая заставила меня и моего отца вычеркнуть спин из списка на салфетке из лос-анджелесской блинной. Частицу, которую один наблюдатель называет бозоном, другой видит как фермион. Это означает, что вы можете взять бозоны, которые получаются в теории струн с самого начала, и посмотреть на них из других систем отсчета, получая фермионы. Теперь вы получили все силы природы и все вещество из одного простого ингредиента – крошечной вибрирующей струны. Суперсимметрия превратила теорию струн в жизнеспособную теорию всего.

Особенно полезной эту теорию сделало то, что больше не надо было разбираться с опасными бесконечностями, которые возникают, когда частицы сталкиваются в одной точке. Струны одномерны – у них есть протяженность. Они не могут взаимодействовать в единственной точке. В некотором смысле это означает, что в пространственно-временном континууме отдельных точек и нет.

«Пространство-время само по себе может быть переосмыслено как приближенное, производное понятие», – писал физик Эд Виттен в статье, озаглавленной «Размышления о судьбе пространства-времени». Успех теории струн, объяснял Виттен, сводится к тому, что «не существует больше инвариантного представления о том, когда и где происходят взаимодействия».

Однажды прочитав эти строки, я долго не могла успокоиться. Что именно Виттен хотел сказать? Обычно физики объясняют отсутствие бесконечности в теории струн конечными размерами струны и, соответственно, размытием точки взаимодействия. Но Виттен, первосвященник теории струн, казалось, приписал размытие не самим струнам, а наблюдателям. Если наблюдатели не могут прийти к единому мнению о положении точки взаимодействия, как если бы расположение точки взаимодействия в пространстве-времени изменялось от одной системы отсчета к другой, – тогда сингулярности не существует. В окончательной реальности их нет. Не значит ли это, что пространство-время и само не реально? Что оно зависит от наблюдателя?

Частицы, согласно теории, состоят из струн. Но спросите физиков, из чего состоят струны, и они скажут вам, что это некорректный вопрос. Струны фундаментальны. Они – исходные строительные блоки. Они не сделаны из чего-либо кроме самих себя. Вряд ли это можно считать удовлетворительным ответом. Предлагал ли Виттен какой-то другой? Он, кажется, говорил, что струны натянуты между различными точками, которые наблюдатель может определить как места столкновения. Как будто струны сами представляют собой наши возможности наблюдать за ними. Как если бы они представляли собой системы отсчета. Как если бы они были, в некотором смысле, изготовлены из нас.

Я не могла не вспомнить слова Уилера: «Поэтому одни подозревают, что, проникая все глубже и глубже в структуру физики, мы никогда не сможем достичь конца, обнаружив, что она завершается на каком-то N-ом уровне. Другие опасаются, что столь же неверно думать о структуре, слои которой чередуются, сменяя друг друга до бесконечности. Третьи в отчаянии спрашивают: что, если структура не заканчивается на уровне каких-то мельчайших объектов или частиц, а приводит непрекращающийся поиск основ мироздания обратно к самому наблюдателю, образовав таким образом замкнутую цепь взаимозависимостей…».

Возможно, теория струн позволяет лучше понять, каким Уилер видел мир, но за это вам придется принять некоторые радикальные изменения во Вселенной. Вам придется добавить пространству несколько дополнительных измерений.

Согласно теории струн, различные колебательные моды соответствуют различным частицам. Какие именно моды возможны, определяется формой и размерностью пространства в окрестности струны. В одномерном мире движение возможно только взад и вперед; если добавить еще одно измерение, то можно двигаться также вверх и вниз. Чем больше имеется измерений, тем больше способов, какими струна может вибрировать. Для того чтобы вибрации струн воспроизвели все известные нам частицы, в дополнение ко времени необходимо иметь девять пространственных измерений. Проблема, очевидно, заключается в том, что мы видим только три.

Дополнительные шесть измерений, говорят физики, свернуты в крошечные области пространства подобно крошечным сложным оригами, которые присутствуют в каждой точке нашего обычного трехмерного пространства. Их размеры слишком малы для того, чтобы мы могли их увидеть, но достаточно велики, чтобы вместить струны – одна триллионная триллионной размера атома, на шестнадцать порядков меньше, чем можно разглядеть с помощью лучших микроскопов.