Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Эксперименты, таким образом, показывают, что Вселенная перекошена в пространстве и во времени. Но этот перекос не является просто случайной асимметрией, поскольку перекос пространства связан с перекосом времени. Чтобы понять эту связь, мы должны знать, что существует третий тип кособокости, называемый зарядовой сопряженностью, в котором каждая частица заменяется своей античастицей. Мы можем ожидать, что Вселенная, в которой античастицы и частицы поменялись местами, будет неотличима от исходной версии, Но это не так. Слабое взаимодействие неинвариантно относительно зарядовой сопряженности, поэтому Вселенная, в которой вещество заменено на антивещество, будет вести себя не так, как ее прототип. (Эта разница дает нам шанс опознать область антиматерии до совершения туда полета, который закончился бы катастрофой.)

Несмотря на эти нарушения симметрии, оказывается, что Вселенная симметрична (насколько мы можем знать), если мы одновременно меняем частицы на античастицы (обозначим это преобразование буквой C), отражаем Вселенную в зеркале (обозначим это буквой P) и обращаем направление времени (что обозначается как T). То есть в соответствии с теоремой Вольфганга Паули, Вселенная CPT-инвариантна. Итак, Вселенная перекошена относительно отдельных преобразований, но имеет совершенную форму, если мы думаем в терминах комбинированных операций.

Важнейший вопрос, которого нам следует также коснуться, это конечная природа всех частиц, которые мы выкатили на сцену. В настоящее время в физике элементарных частиц огромные усилия вкладываются в теоретический проект, который сможет дать ответ, но такой, который никогда нельзя будет прямо проверить в эксперименте. Возвращаясь к началу предыдущей главы, заметим, что греки, делившие в своем воображении вещество и размышлявшие о том, как далеко они могут зайти по этому пути, молчаливо предполагали, что деление закончится на мельчайших сущностях, подобных точкам. Для них это были атомы; а мы представляем себе точками бесструктурные, как кажется, лептоны и кварки. Но предположим, что они не таковы. Предположим, что конечный предел деления является не точкой, а линией. Это начальный пункт теории струн[28], которая обещает пролить свет на многие из поднятых нами вопросов. Теория струн является расширением аргументации, связанной с симметрией, поскольку она, в дополнение к уже рассмотренным нами жестким геометрическим преобразованиям, включает в себя топологию пространства-времени, его протяженность и возможность того, что оно изрешечено дырами.

В теории струн мы считаем конечным строительным блоком вещества маленький кружок, подобный струне. Эта струна очень мала: радиус круга имеет порядок планковской длины (около 10−35 м, глава 7). «Очень» в этом случае означает именно «очень». Если увеличить ядро до размера Земли, струна будет кругом с радиусом не намного больше, чем радиус первоначального ядра. Эта струна очень туго натянута: ее натяжение эквивалентно натяжению, которое возникло бы, если бы на нее подвесили груз в 1039 тонн, что эквивалентно триллиону Солнц. Речь идет о по-настоящему маленькой и тугой струне.

Тугая струна колеблется. Каждая из различных мод ее колебаний, согласно теории струн, соответствует фундаментальной частице. Итак, существует струна лишь одного вида, но различные моды ее колебаний соответствуют всем различным частицам, с которыми мы до сих пор встречались (рис. 6.15). Я не имею в виду, что это похоже на увеличение частоты колебаний путем нажатия различных ладов на гитаре: это требует во много раз больше энергии. Даже для того, чтобы возбудить первый обертон, потребовалось бы так много энергии, что она соответствовала бы частице с массой, неизмеримо большей, чем масса любой известной фундаментальной частицы — с массой небольшой бактерии. Но существуют колебания, называемые нулевыми колебаниями струны. В соответствии с квантовой механикой, осциллятор никогда не может находиться в состоянии полного покоя, а всегда обладает по крайней мере малой остаточной энергией, энергией его нулевых колебаний. Просто представьте себе струну, пульсирующую спокойно, как сердце человека, и каждая мода ее пульсации соответствует определенной частице.

Рис. 6.15. Две моды колебаний струны: нулевые колебания разных мод соответствуют разным элементарным частицам.

Когда теория струн впервые была поставлена на обсуждение, она могла дать объяснение только бозонам и столкнулась со следующим затруднением: струна должна была располагаться в пространстве-времени с размерностью двадцать шесть. Это embarrasse de dimensions (затруднение с размерностями) было ослаблено, когда была взята на вооружение суперсимметрия, и теория была распространена на фермионы. При учете ограничений, накладываемых суперсимметрией, оказалось, что струна могла бы процветать в пространстве-времени всего десяти измерений, девять для пространства и одно для времени. Было разработано несколько способов организации этих размерностей, и на сегодняшний день представляется, что эти различные теории могут быть объединены в одну супертеорию в размерности, которой разрешается достигать одиннадцати. Примем это число и предположим, что в теории струн идет речь именно о струнах, колеблющихся в десятимерном пространстве и одномерном времени. Возникающая в настоящее время теория струн в одиннадцати измерениях с более изощренной версией одномерной струны, включающей двумерные мембраны, называется М-теорией. Люди, кажется, забыли, что стоит за буквой М: возможно, это и «мембрана», но это может быть также и «мать всех теорий».

В голову немедленно приходит вопрос: а где все эти размерности? Мы выросли в уверенности, что обитаем в четырехмерном мире (три измерения для пространства и одно для времени), тогда где же пропущенные семь измерений? Предполагается, что они свернуты. Или, скорее, им не удалось развернуться, когда формировалась Вселенная: первоначальное расширение Вселенной было столь быстрым (как мы увидим в главе 8), что семь пространственных измерений просто еще не проснулись до того момента, когда стало уже слишком поздно. Для того чтобы облегчить людям переправу через концептуальную пучину этих «уплотненных», свернутых измерений, часто используют аналогию воображаемого шланга, лежащего на лужайке. Издалека шланг выглядит как одномерная линия, но, приближаясь, мы видим, что он имеет ширину.

Чтобы вообразить одно уплотненное измерение, мы можем представить себе небольшой кружок — с отметкой на нем, обозначающей положение вдоль этого измерения — прикрепленный к каждой точке пространства (рис. 6.16). Чтобы вообразить столкновение в этом пространстве, мы больше не представляем себе сталкивающиеся точки: мы представляем себе резиновые тесемки, извиваясь, двигающиеся вдоль трубки и отскакивающие назад друг от друга.

Рис. 6.16. То, что кажется одномерной линией с двумя частицами на ней, похожими на точки, в действительности является трубкой с двумя кругообразными струнами. Дополнительная размерность свернута, и мы не осознаем, что она есть, до тех пор, пока не узнаем о более глубокой структуре реальности. Столкновение между двумя частицами на самом деле является столкновением между двумя струнами.

На самом деле, в каждой точке имеется семь свернутых таким образом измерений с как-то надетыми на них струнами, подобно резиновым тесемкам, надетым на трубку. Считается, что уплотненные размерности принимают в каждой точке особую форму. Такие формы называются пространствами Калаби-Яу, по именам двух математиков, Эудженио Калаби и Шинтана Яу, которые их изучали. Физики всегда бывают благодарны математикам, которые, в своей восхитительно умозрительной манере, так часто изучают бесполезные с виду абстрактные понятия для того только, чтобы позднее обнаружить, что они нечаянно приготовили орудие, в точности необходимое, чтобы справиться с новыми проблемами физики.

С точки зрения платоников (см. главу 10), математика уже где-то существует, ожидая, когда ее откроют, так что Калаби и Яу, возможно, скорее выкапывали предсуществующее, чем просто нечто создавали, как им, вероятно, казалось. Рисунок 6.17 демонстрирует одно из таких пространств. Формы, подобные этим — но в семи измерениях, — являются шлангами теории струн, поскольку струны вьются вокруг них и через их отверстия.

Рис. 6.17. Пространство Калаби-Яу. В отличие от линии в пространстве, изображенной на рис. 6.16, являющейся простой трубкой, каждая точка линии на самом деле может быть многомерным пространством. Сечение одного из них показано здесь. Представьте себе структуру, подобную этой (но большей размерности), скрепленную с каждой точкой пространства.