Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Итак, в данный момент наше положение таково: мы застряли между двумя успешными теориями, квантовой теорией поля и общей теорией относительности, которые не очень склонны сочетаться друг с другом. Вообще-то, непохоже, чтобы у них было много общего; и математические аппараты у них несовместимы друг с другом. Однако не может быть, чтобы у этой истории не было продолжения. Мы ведь знаем, что пространство-время реагирует на материю, которой оно заполнено. А еще мы знаем, что материя в субатомном масштабе ведет себя согласно законам квантовой механики, что должно непременно сказаться на поведении пространства-времени. Если ненаблюдаемый электрон находится в квантовой суперпозиции и в двух или более состояниях одновременно – например, если его квантовое состояние размыто по некоторому объему пространства или находится в суперпозиции нескольких видов энергии, – то эта размытость должна как-то отражаться и на пространстве-времени вокруг электрона. И Принстонский университет не обладает исключительными правами на решение проблемы общей теории относительности.

Итак, остается вопрос: как нам проквантовать гравитационное поле? Что надо сделать, чтобы объединить квантовую теорию поля и теорию общей относительности? И если они совершенно несовместимы, то какая из них должна «уступить», чтобы позволить нам прийти к теории квантовой гравитации?

Теория струн

В середине 1980-х годов был предложен возможный вариант теории квантовой гравитации. Он был основан на математической идее под названием «суперсимметрия», о которой я говорил в главе 2. Этот вариант стал известен как теория суперструн и завладел умами многих физиков-математиков моего поколения. Идея супесимметрии предполагает наличие связи между двумя видами элементарных частиц согласно Стандартной модели – между материальными частицами, или фермионами (кварки, электроны и родственные им частицы), и частицами с собственным импульсом, или бозонами (фотоны, глюоны, W– и Z-бозоны).

Теория струн была предложена в конце 1960-х годов как теория сильного ядерного взаимодействия, но, когда в 1970-х была разработана теория хромодинамики, которая оказалась успешной, теорию струн сочли бесполезной и перестали использовать. Однако скоро стало понятно, что, если дополнить теорию струн идеей суперсимметрии, она может претендовать на гораздо более существенную роль, чем теория сильного взаимодействия, – на место Теории всего.

Основное положение теории суперсимметричных струн (или суперструн) в следующем: один из способов унифицировать все силы – добавить новое измерение в знакомое нам трехмерное пространство. Эта идея восходит к работам польского физика-теоретика Теодора Калуцы, который вскоре после окончания Первой мировой войны заметил, что, если решить уравнения Эйнштейна, касающиеся общей теории относительности, в пятимерном пространстве-времени вместо четырехмерного, то получится электромагнетизм в виде вибраций в этом пятом, невидимом измерении. Калуца показал свою работу Эйнштейну, которому поначалу она понравилась. Казалось, что в области электромагнетизма она сделала то, что удалось Эйнштейну в области гравитации, – заменила теоретическое описание в терминах физической силы описанием в терминах чистой геометрии.

И все же, несмотря на этот изящный способ унификации света (электромагнетизма) и гравитации (общей теории относительности), большинство физиков (включая самого Эйнштейна) вскоре стали скептически относиться к работе Калуцы, поскольку не удалось экспериментально доказать существование этого дополнительного измерения.

Через несколько лет шведский физик Оскар Клейн высказал предположение, что пятое измерение нельзя наблюдать потому, что оно «свернуто» и слишком мало, чтобы его увидеть. Чтобы пояснить это, можно воспользоваться стандартной аналогией. На расстоянии шланг кажется одноразмерной лентой, но если увеличить масштаб, мы увидим, что на самом деле это двухмерная поверхность, смотанная в цилиндр. Второе измерение (окружность шланга) слишком мало, чтобы разглядеть его на расстоянии. Клейн предположил, что это верно и для пятого измерения Калуцы, которое свернуто в окружность размером в одну миллиардную триллионной части атома. Хотя теория Калуцы – Клейна не привела к унификации гравитации и электромагнетизма, она помогла исследователям найти связь между теорией суперструн и измерениями более высокого уровня. Однако теперь вместо одного скрытого пространственного измерения требовались целых шесть, причем все они должны быть «скручены» в один шестиразмерный шар, который невозможно визуализировать. Таким образом, теория суперструн утверждает, что существует десять измерений: четыре измерения пространства-времени, данные нам в ощущениях, плюс шесть скрытых измерений.