Теория всего[Происхождение и судьба Вселенной] - Стивен Хокинг

Из-за этой проблемы мнение склонилось в пользу теорий струн. Основным объектом в этих теориях выступают не частицы, занимающие единичную точку в пространстве, а протяженные образования, которые обладают только длиной, но никакими другими измерениями и напоминают петли из бесконечно тонких струн. В каждый момент времени частица занимает определенную точку пространства. Так что ее история может быть представлена линией в пространстве-времени, которую называют «мировой линией». Между тем струна в каждый момент времени занимает в пространстве линию. Так что ее история в пространстве-времени представляет собой двухмерную поверхность, которую называют «мировым листом». Любая точка на мировом листе может быть описана двумя числами, одно из которых характеризует время,

а второе — положение точки на струне. Мировой лист струны имеет вид цилиндра или трубки. Круговое сечение трубки отображает положение струны в определенный момент времени.

Две струны могут соединяться в одну, подобно тому как соединяются две штанины брюк. Сходным образом одну струну можно разделить на две. В теориях струн то, что раньше считалось частицами, представляется волнами, распространяющимися вдоль струны, как вдоль веревки. Испускание частиц и их взаимное поглощение соответствуют разделению и соединению струн. Например, гравитационное воздействие Солнца на Землю описывается Н-образной конфигурацией из трубок или волноводов. (Теории струн чем-то напоминают водопроводное дело.) Волны, бегущие по двум вертикальным сторонам этого «Н», соответствуют частицам, испускаемым и поглощаемым Солнцем и Землей, а те, что бегут по горизонтальной перемычке, — гравитационным взаимодействиям между этими частицами.

Теория струн имеет довольно странную историю. Она была предложена в конце 1960-х гг. в попытке отыскать концепцию сильного ядерного взаимодействия. Идея состояла в том, что элементарные частицы — протон и нейтрон — можно рассматривать как волны, распространяющиеся вдоль струны. Тогда сильное ядерное взаимодействие между частицами соответствовало бы отрезкам струны, соединяющим между собой другие отрезки, как в паутине. Для того чтобы эта теория давала наблюдаемые значения сильного ядерного взаимодействия между частицами, струны должны были напоминать резиновые ленты, натянутые с усилием порядка десяти тонн.

В 1974 г. Жоэль Шерк и Джон Шварц опубликовали статью, где показали, что теория струн может описывать гравитационные силы, но лишь при условии, что натяжение струн будет значительно сильнее — около 1039 тонн. Теория струн давала бы те же предсказания, что и общая теория относительности, при обычных масштабах длины, но на очень малых расстояниях — менее 10-33 см — появлялись бы расхождения. Работа Шерка и Шварца, однако, не привлекла особенного внимания, поскольку к этому времени большинство ученых отказалось от использования исходной теории струн для сильных взаимодействий. Шерк погиб при трагических обстоятельствах. Он страдал от диабета и впал в кому, когда рядом не оказалось никого, кто мог бы ввести ему инсулин. Так что Шварц остался чуть ли не единственным защитником теории струн, но теперь уже предполагающей более высокое натяжение.

Интерес к теории струн неожиданно возродился в 1984 г., и на то было две причины. Во-первых, попытки показать, что супергравитация конечна и что она объясняет существование наблюдаемых нами частиц, не имели особого успеха. Во-вторых, Джон Шварц и Майкл Грин написали статью, из которой следовало, что теория струн способна объяснить существование частиц, обладающих «врожденной леворукостью», как некоторые из наблюдаемых частиц. Так или иначе, многие вновь занялись теорией струн. Появилась новая ее версия — теория гетеротических струн. Создавалось впечатление, что она способна объяснить существование тех типов частиц, которые мы наблюдаем.

Теории струн также приводят к бесконечностям, но считается, что бесконечности эти можно сократить в версиях, подобных теории гетеротических струн. Возникает, однако, более серьезная проблема. Теории струн совместимы только с пространством-временем, которое имеет 10 или 26 измерений вместо обычных 4. Конечно, дополнительные измерения стали общим местом в научной фантастике, без них уже никуда. Иначе никак не обойдешь то обстоятельство, что теория относительности налагает запрет на перемещения со сверхсветовой скоростью, а значит, нужно слишком много

времени для того, чтобы пересечь нашу Галактику, не говоря уже о путешествиях в другие галактики. Писатели-фантасты изыскали короткий путь через иные измерения. Это можно изобразить так. Представьте себе, что пространство, в котором мы живем, имеет только два измерения и изогнуто на манер бублика или тора. Если вы находитесь на одной стороне кольца и хотите перебраться на другую, вам придется пройти вдоль по кольцу. Однако если вы способны перемещаться в третьем измерении, то сможете срезать путь, двинувшись поперек кольца.

Почему мы не замечаем всех этих дополнительных измерений, если они действительно существуют? Почему воспринимаем лишь три пространственных измерения и одно временное? Напрашивается предположение, что эти другие измерения свернуты в пространство ничтожно малых размеров — вроде одной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доли сантиметра. Оно так мало, что мы его не замечаем. Мы воспринимаем только три измерения пространства и одно измерение времени, в которых пространство-время совершенно плоское. Это как поверхность апельсина: разглядывая ее вблизи, мы различаем множество бугорков и неровностей, но при некотором удалении они словно бы сглаживаются. Так и пространство-время в очень малых масштабах имеет 10 измерений и значительную кривизну. Но при увеличении масштаба вы не видите искривления или дополнительных измерений.

Если описанная картина верна, это плохая новость для тех, кто мечтает о космических путешествиях. Дополнительные измерения слишком малы, чтобы вместить космический корабль. Однако возникает другая важная проблема. Почему лишь некоторые, но не все измерения, свернуты в крошечные шарики? Возможно, на ранней стадии развития Вселенной сильно искривленными были все измерения. Почему же три

измерения пространства и одно измерение времени стали плоскими, а все остальные остались свернутыми?

Один из возможных ответов сводится к антропному принципу. Двух пространственных измерений, видимо, недостаточно для появления столь сложно организованных существ, как мы. Например, двухмерным людям, обитающим на поверхности одномерной Земли, пришлось бы взбираться друг на друга, чтобы разминуться при встрече. Если бы двухмерное существо съело что-нибудь и не смогло полностью переварить пищу, ему пришлось бы извергнуть непереваренные остатки тем же путем, каким они были проглочены, поскольку, пройдя сквозь тело, эти остатки разделили бы его пополам. Трудно также представить циркуляцию крови в двухмерном существе. Проблемы возникли бы и при наличии более трех пространственных измерений. Гравитационное притяжение между двумя телами с ростом расстояния уменьшалось бы быстрее, чем в трех измерениях. А потому орбиты обращающихся вокруг Солнца планет, таких как Земля, были бы нестабильны. Малейшее отклонение от круговой орбиты, какое может быть вызвано гравитационным притяжением других планет, заставило бы Землю, двигаясь по спирали, удаляться от Солнца или приближаться к нему. Мы или замерзли бы, или сгорели. По сути, подобное изменение гравитации с расстоянием угрожало бы устойчивости Солнца. Оно или распалось бы, или испытало коллапс, превратившись в черную дыру. В любом случае Солнце уже не могло бы служить источником тепла и света для земной жизни. В малых масштабах электрические силы, заставляющие электроны обращаться вокруг атомного ядра, повели бы себя подобно силам гравитаций. Так что электроны, перемещаясь по спирали, либо покидали бы атом, либо врезались бы в ядро. Так или иначе, существование атомов в известном нам виде было бы невозможно.

Представляется очевидным, что жизнь, по крайней мере в известном нам виде, может существовать лишь в тех областях пространства-времени, где три пространственных и одно временное измерение не свернуты до ничтожных размеров. Это вновь вернет нас к антропному принципу, если удастся доказать, что теория струн допускает существование таких областей во Вселенной. И, похоже, все теории струн это допускают. Возможно, также существуют другое области Вселенной или другие вселенные (что бы это ни означало), в которых свернуты все измерения или больше четырех измерений развернуто. Но в таких областях не будет разумных существ, способных наблюдать иное число действительных измерений.

Помимо вопроса о числе измерений пространства-времени в теории струн существует и несколько других проблем, не решив которых ее нельзя признать окончательной объединенной теорией физики. Мы все еще не знаем, сокращаются ли все бесконечности и как в точности соотнести волны, расходящиеся по струнам, с конкретными типами наблюдаемых частиц. Тем не менее похоже на то, что эти вопросы будут разрешены в ближайшие годы и к концу века[2] мы узнаем, действительно ли теория струн представляет собой объединенную теорию физики, способную выдержать испытание временем.