Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

знаменитым физикам — например, Фейнману, которого знал по Калифорнийскому технологическому институту. В возрасте всего тридцати трех лет Шерк покончил с собой.

Первая струнная революция произошла в 1984 году. Шварц снова оказался в деле: на этот раз он сотрудничал с британским физиком Майклом Грином (который впоследствии будет преподавать квантовую теорию поля автору этой книги!). Грин и Шварц взялись за конфликт между струнами и квантовой механикой и показали, что его нет. Теория струн вернулась как квантовая теория гравитации, и на этот раз мир физики обратил на нее внимание. Для многих ученых теория струн быстро стала «единственной игрой в городе»[168].

Вскоре стало ясно, что есть не одна, а пять непротиворечивых систем теории струн. Цель состояла в том, чтобы выбрать правильную версию, пощекотать ее правильным образом — и бинго! У вас появилась бы теория, описывающая все, что есть в нашей Вселенной. Теория всего должна объяснять происхождение электронов, протонов, нейтронов и всех остальных известных частиц в точности с правильными массами, причем четыре фундаментальные силы природы толкают и притягивают эти частицы правильным образом. Однако на заре теории струн так никогда не получалось. В конце концов, с уравнениями всегда было слишком сложно обращаться. Физики строили разные приближения, видели намеки на Вселенную, подобную нашей, но этого было недостаточно. Единственная игра в городе оказалась не такой уж и веселой. Теория струн зашла в тупик.

Требовалась еще одна революция.

Вторая струнная революция началась в день числа пи, 14 марта[169] 1995 года. Эд Виттен делал первый утренний доклад на конференции по теории струн в Южной Калифорнии. Когда он обратился к аудитории, его голос был спокоен, чуть выше среднего тона, но слова несли в себе интеллектуальную глубину. Он был готов штурмовать Бастилию. Виттен показал, что пять различных версий теории струн описывают одну и ту же физику на пяти разных языках. Он продемонстрировал, что, когда уравнения становились слишком сложными на одном языке, они часто оказывались проще в другом. Благодаря этой глубокой идее теория струн освободилась из тюрьмы вычислений.

Но Виттен, как всегда, пошел дальше.

Он предложил новую теорию — материнскую, и пять различных теорий струн, о которых мы сказали, были ее «дочерями». Он утверждал, что эту материнскую теорию лучше всего понимать в одиннадцати измерениях пространства и времени, где фундаментальными объектами становятся уже не струны, а мембраны, имеющие несколько измерений. Это М-теория — таинственная одиннадцатимерная теория, объединяющая пять различных версий теории струн. Виттен всегда подразумевал, что М означает мембрану[170]. Другие могут сказать, что буква означает мать (mother), волшебство (magic) или даже тайну (mystery). Истина в том, что мы до сих пор не знаем, что такое М-теория. Во всяком случае, пока.

В комнате есть многомерный слон[171].

Суперструны имеют смысл только в десяти измерениях пространства и времени. М-теорию лучше всего понимать в одиннадцати измерениях. Погодите. О чем мы говорим? Забудьте о квантовой гравитации, оглядитесь вокруг. Измерений не десять и не одиннадцать, а четыре: три пространственных и одно временное. Если предполагается, что существует еще шесть или семь измерений, то где они?

Прячутся за спинкой дивана. Сидят на кончике вашего носа. Вы можете найти их даже в сэндвиче с огурцами, приготовленном по рецепту королевы. Они повсюду — отсюда и до туманности Андромеды или галактики Черный Глаз. Но они крошечные, свернутые и незаметные — молчаливый вечный партнер, живущий рядом с нашим макроскопическим миром.

Измерение — просто еще одно направление движения. Когда мы говорим, что пространство имеет три измерения, мы имеем в виду три независимых направления движения: вперед и назад, влево и вправо, вверх и вниз. Шесть дополнительных измерений теории струн — это всего лишь шесть новых направлений движения. Но они свернуты, как крошечные окружности, и вы не сможете продвинуться далеко в этих новых направлениях — вы просто вернетесь туда, откуда начали. Вот почему вы их не замечаете. Чтобы лучше понять это, представим, что вы — муравей. Чудовищный муравей-пуля, великан из низинных лесов Южной Америки. Пробегая по земле, вы замечаете тонкий прутик, лежащий в грязи. Будучи хорошим экспериментатором, вы решаете проползти по поверхности прутика, чтобы выяснить, сколько у него измерений. Вы, конечно, заметите, что можете двигаться по нему вперед и назад, но не увидите, что способны двигаться и вокруг его оси. Поэтому вы триумфально заявляете: «Поверхность прутика имеет одно измерение!» Но вы ошибаетесь. Вы просто слишком велики, слишком чудовищны, чтобы заметить направление движения по окружности. Черный садовый муравей из Англии преуспел бы больше. Будучи гораздо мельче[172], он заметил бы оба измерения прутика — и по длине, и вокруг его оси. Теория струн утверждает, что шесть дополнительных пространственных измерений свернуты точно так же, как измерение прутика по кругу. Как и муравьи-пули, мы просто слишком велики, чтобы их увидеть. Мы не видим их даже на Большом адронном коллайдере, хотя заглядываем в мир, который в миллиард раз меньше атома. Если дополнительные измерения и существуют, их просто затмевает все, что мы видим в природе.

Но при этом скрытые дополнительные измерения наделяют теорию струн огромным потенциалом. Оказывается, существуют гуголы способов их свернуть. Дополнительные измерения могут иметь форму бубликов или более экзотических геометрических объектов, известных как поверхности Калаби — Яу, кручения и изгибы которых почти невозможно вообразить. Вы можете заполнить эти измерения магнитным потоком или связать их струнами и мембранами. То, как вы выполняете это свертывание, влияет на физику оставшихся макроскопических измерений. Наверните шесть измерений на бублик определенного размера — и вы обнаружите четырехмерный мир, наполненный определенными частицами, на которые действует совершенно определенный набор сил. Наверните дополнительные измерения на что-то более экзотическое — и мир станет выглядеть совсем иначе. Специалисты по теории струн любят работать с этими причудливыми поверхностями Калаби — Яу, потому что они не разрушают базовой суперсимметрии: немного оставляют для нашего четырехмерного мира. Мы уже видели, как суперсимметрия может быть полезной для понимания того, почему бозон Хиггса имеет неожиданно малую массу, или для объединения некоторых фундаментальных взаимодействий. Но когда мы сворачиваем дополнительные измерения в теории струн, они играют еще одну важную роль: помогают держать математику под контролем. Без них настройка ненадежна, и предсказаниям теории не всегда можно доверять. Современная точка зрения состоит в том, что теория струн представляет нам мультивселенную — целый ландшафт различных возможных Вселенных, выстроенных вдоль разных поверхностей Калаби — Яу, где есть разные частицы, силы, энергии вакуума и даже разное количество измерений. Кажется, что наша