Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Однако Икар принадлежал к числу нетерпеливых людей. Он не мог заставить себя прочитать подробную инструкцию, прилагавшуюся к приобретенному им устройству, и вместо этого решил сразу двинуться вперед. Беспечно, не обращая внимания на красный индикатор, перекрывающий самые малые размеры, он набрал на дисплее расстояние 10-33 см и решительно нажал кнопку «вперед».

К своему ужасу, он обнаружил, что находится в дико колеблющейся обрывистой местности, заполненной струнами, и испытывает при этом сильнейшую тошноту. Пространство более не являлось гладким безликим фоном, к которому он привык. Напротив, оно быстро-быстро тряслось в одних местах, венчалось заостренными вершинками в других, или превращалось в петли, которые отсоединялись от поверхностей и затем воссоединялись с ними. Икар отчаянно стал искать кнопку «Стоп» и вовремя нажал на нее, чтобы вернуться к нормальному состоянию целым и невредимым.

Восстановив равновесие, Икар решил, что, вероятно, ему все же стоит прочитать руководство. Он раскрыл раздел «Предупреждение!» и прочел: «Ваша новая машина Алисэксвир, модель 6.3 работает только до расстояний, не меньших чем 10-33 см. Мы еще не включили новейшие достижения теории струн, предсказания которых физики и математики связали с физическим миром только в прошлом году».

Икар был сильно разочарован, когда понял, что только новейшая модель 7.0 включает последние результаты. Но затем он быстро подучил самые последние результаты теории струн, запустил на полную мощность свой Алисэксвир, и никогда больше не испытывал тошноты.

Общая теория относительности Эйнштейна была монументальной. С ее помощью физики намного глубже поняли гравитационное поле и сумели с беспрецедентной точностью рассчитать влияние гравитации. Теория относительности дала физикам в руки инструменты для предсказания эволюции всех гравитационных систем, даже всей Вселенной. Однако, несмотря на все эти успешные предсказания, общая теория относительности не может быть последним словом в гравитации. Общая теория относительности рушится, когда ее пытаются применять на очень малых расстояниях. На очень малых масштабах длины нужна новая гравитационная парадигма. Многие физики полагают, что такой парадигмой должна быть теория струн.

Если теория струн верна, она объединяет успешные предсказания общей теории относительности, квантовой механики и физики частиц. Но она также позволяет применить физику к таким расстояниям и энергиям, с которыми не приспособлены иметь дело другие теории. Теория струн все еще недостаточно развита для того, чтобы мы могли оценить ее предсказания при высоких энергиях и подтвердить эффективность этой теории в труднодоступных областях расстояний и энергий. Но теория струн все же имеет ряд примечательных свойств, которые вызывают доверие к этой многообещающей картине.

Бросим взгляд на теорию струн и эволюцию этой удивительной теории, кульминацией которой была «суперструнная революция» 1984 года, когда физики показали, что отдельные куски теории струн замечательно стыкуются друг с другом. Суперструнная революция была только началом интенсивной исследовательской программы, в которой принимают активное участие многие современные физики. В этой и следующей главах мы рассмотрим историю теории струн и ряд удивительных современных достижений этой теории. Мы увидим, что теория струн достигла заметных успехов и имеет многообещающие перспективы. Но мы увидим также, что теория струн сталкивается со многими сложнейшими проблемами, которые предстоит решить физикам, прежде чем использовать эту теорию для того, чтобы делать предсказания о нашем мире.

Зарождающееся беспокойство

Квантовая механика и общая теория относительности мирно сосуществуют в широком интервале расстояний, включая те, которые доступны экспериментальному анализу. Хотя обе теории должны быть применимы на всех масштабах длин, между ними существует взаимопонимание, какая из теорий должна доминировать на измеримых больших и малых расстояниях. Квантовая механика и общая теория относительности могут мирно разделить территорию, так как каждая теория признает главенство другой в обозначенной области. Общая теория относительности важна для массивных протяженных тел, таких как звезды или галактики. Но влияние гравитации на атом пренебрежимо мало, так что можно спокойно изучать атом, игнорируя общую теорию относительности. С другой стороны, квантовая механика критически важна на атомных расстояниях, так как ее предсказания для атома существенны и заметно отличаются от предсказаний классической физики.

Однако квантовая механика и теория относительности не находятся в полной гармонии. Эти две очень разные теории никогда не могли успешно преодолеть чрезвычайно малое расстояние, известное как планковский масштаб длины 10-33 см. Из ньютоновского закона тяготения мы знаем, что интенсивность тяготения пропорциональна массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Даже несмотря на то, что на атомных масштабах сила тяготения мала, закон тяготения утверждает, что на еще меньших масштабах сила тяготения огромна. Гравитация важна не только для очень массивных протяженных тел, но и для тел, которые находятся чрезвычайно близко друг к другу, разделенные крохотным планковским расстоянием. Если мы пытаемся сделать предсказания об этом неизмеримо малом расстоянии, и квантовая механика, и общая теория относительности дадут существенный вклад, причем вклады двух теорий будут несовместимы. На этой спорной территории, где расчеты с помощью квантовой механики и общей теории относительности расходятся и предсказания терпят неудачу, нельзя пренебречь ни квантовой механикой, ни тяготением.

Общая теория относительности работает только тогда, когда имеются плавно меняющиеся гравитационные поля, закодированные в постепенно искривляющемся пространстве-времени. Но квантовая механика утверждает, что все, что может прощупывать или влиять на планковский масштаб длины, имеет колоссальную неопределенность импульса. Пробное тело с энергией, достаточной для исследования планковского масштаба длины, будет порождать разрушительные динамические процессы, например, энергетические выбросы виртуальных частиц, которые разрушат всякую надежду на описание явления с помощью общей теории относительности. Согласно квантовой механике, на планковском масштабе длины вместо гладкой и волнообразно меняющейся геометрии будут происходить дикие флуктуации с ветвящимися ручками и петлями пространства-времени, порождая тот тип топографии, с которым через миллион лет столкнулся Икар. В такой дикой местности нельзя использовать общую теорию относительности.

Но общая теория относительности не может просто отойти в сторону, предоставив квантовой механике полную свободу действий, так как на планковском масштабе длины тяготение представляет собой существенную силу. Хотя тяготение ничтожно при тех энергиях физики частиц, к которым мы привыкли, оно очень сильно при высоких энергиях, которые требуются для изучения планковского масштаба длины[130]. Планковский масштаб энергии, т. е. та энергия, которая нужна для изучения планковского масштаба длины, как раз является той энергией, при которой тяготение уже не может рассматриваться как ничтожная сила. На планковском масштабе длины тяготением пренебрегать нельзя.