-140-
Гл. 3. Игры на суперструнных бранах
«Природа — это бесконечная сфера, центр которой повсюду, а периферия — нигде».
Блез Паскаль
«Математические теоремы, подобно физическим утверждениям, могут быть формально не обоснованными, но экспериментально проверяемыми гипотезами. Иногда они подлежат пересмотру, но надежным критерием их правильности служит их соответствие реальности».
Герман Вейль. Философия математики и естественных наук
«Космология не может что-либо предсказать о судьбе Вселенной до тех пор, пока не сделаны какие-либо предположения относительно начальных условий. Не сделав таких предположений, можно сказать лишь то, что в ранней Вселенной все было таким, каким оно было. Многие все еще убеждены в том, что наука должна рассматривать лишь локальные законы, определяющие эволюцию Вселенной во времени. Они воспринимают вопрос о граничных условиях для Вселенной, определяющих ее начало, скорее как вопрос метафизики или религии, но никак не науки».
Стивен Хокинг. Природа пространства и времени. Квантовая космология
Рис. 49. Хромосомы на бране Мира
«Струнные теоретики обычно предполагали, что дополнительные измерения мизерны, но несколько предприимчивых
-141-
физиков поняли в девяностых годах прошлого века, что это не являлось обязательным условием — дополнительные измерения могли бы быть большими или даже бесконечными. Это возможно в сценарии миров на бране. В такой картине наше трехмерное пространство на самом деле является браной — то есть чем-то, подобным мембране, но трехмерной, — подвешенной в мире с четырьмя или более измерениями пространства. Частицы и силы стандартной модели — электроны, кварки, протоны вместе с силами, с которыми они взаимодействуют, — ограничены в пределах трехмерной браны, составляющей наш Мир. Так что, используя только эти силы, вы не сможете увидеть свидетельств дополнительных измерений. Единственное исключение составляет гравитационная сила. Гравитация, будучи универсальной, распространяется через все измерения пространства.
Ли Смолин. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует
В середине 1970-х годов физики-теоретики, создавая модели микрокосмоса сверхэлементарных частиц, в очередной раз вплотную столкнулись с проблемой геометризации своих построений. Несмотря на то что до прямого применения решений проблемы Пуанкаре было еще далеко, они уже тогда пришли к следующей мысли: если в природе существуют еще более мелкие объекты, чем глюоны и кварки, то они должны совершенно по-особому вписываться в пространство микромира. Например, это напрямую касается неких «силовых струн», которые определенным способом связывают более или менее привычные микрочастицы, не давая им разойтись на большие расстояния. Это делает их, подобно кваркам и глюонам, вечными пленниками внутри тех же самых кварков и глюонов. Их стали называть струнами (от англ. string — струна). Вскоре выяснилось, что такие жгуты напряженного поля могут существовать и сами по себе как независимые «хромосомы мира». Когда Григорий Яковлевич Перельман доказал теорему Пуанкаре, первые отклики физиков-теоретиков касались именно открывающихся перспектив понять и описать эволюцию этих очень странных на первый взгляд умозрительных построений математической физики.
-142-
Рис. 50. Пространство суперструн
«Сценарии мира на бране работают, только если вы делаете специальные предположения о геометрии дополнительных измерений и способе, которым трехмерная поверхность, являющаяся нашим миром, помещается внутри них. В добавление ко всем проблемам, от которых страдали старые теории Калуцы — Кляйна, имеются новые проблемы. Если может быть одна брана, плавающая в высокоразмерном мире, почему их не может быть много? И если имеются другие, то как часто они сталкиваются? В самом деле имеются предположения, по которым Большой Взрыв возник из-за столкновения миров на бранах. Но если это может произойти один раз, почему с тех пор это больше не происходило? Прошло около 14 миллиардов лет. Ответ может быть в том, что браны встречаются редко, но в этом случае мы опять получаем тончайше настроенные условия».
Ли Смолин. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует
Между тем выводы теоремы Пуанкаре — Перельмана являются довольно многообещающими, поскольку позволяют с помощью струнных представлений если и не устранить полностью, то хотя бы обойти множество препятствий на пути к построению логически непротиворечивой теории квантовой гравитации. Однако теория струн, несмотря на солидные
-143-
усилия, прилагаемые со стороны интернационального коллектива теоретиков, до сих пор не вышла еще из стадии разработки, и связано это именно с отсутствием свежих математических идей, наподобие тех, что использовал Григорий Яковлевич Перельман. Разумеется, физикам-теоретикам пока еще неизвестно, как именно войдет новая математика в точные уравнения суперструн, но фундаментальные принципы, определяющие их топологию, просматриваются довольно отчетливо. Вероятно, современная версия такой геометризованной «струнной физики» будет носить название топологической суперсимметричной теории струн (геометрической теории суперструн, или струн).
Надо отметить, что струнные модели очень поэтичны. Так, набор возбужденных струн звучит, как целый вселенский оркестр, заполняя вакуум каскадами звуков — частиц. В глубинах микромира, в области, где сливаются все известные взаимодействия, все они — равноправные состояния одного и того же супермультиплета, а на больших расстояниях, обрастая шубами — оболочками испускаемых ими виртуальных частиц, становятся кварками.
Чтобы хоть как-то вообразить струнную абстракцию, представим себе заряженный конденсатор — две металлические пластины и слой электрических силовых линий между ними. Если пластины раздвинуть на расстояние, много большее их размеров, слой превратится в жгут силовых линий. Он обладает определенной упругостью, и его можно назвать электрической полевой струной. Подобная же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками. С помощью мелких железных опилок ее можно сделать видимой и убедиться в том, что, будучи отклоненной в сторону, она упруго восстанавливает форму.
Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны — струны глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн — весьма распространенное явление в мире элементарных частиц.
Струны могут разрываться и слипаться, образовывая дочерние и внучатые струны. При этом возникают замкнутые
-144-
струнные кольца и более сложные переплетающиеся фигуры. Струны — объекты с очень сложной геометрией. Самое важное состоит в том, что, подобно тому, как это происходит со струной гитары, в них могут возбуждаться колебания — различные полевые обертоны, которые так же, как звуковые волны, отделяются от колеблющейся струны и распространяются в виде волн в окружающем вакууме.
Интересно, что сначала большинство физиков встретили новую теорию с недоверием. Избавив их от бесконечностей, она принесла с собой другой страшный «порок» — в ней появились тахионы и духи. Тахионы — это частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света. Таких частиц в опыте нет. А если бы они были и, как предсказывала новая теория, могли разлетаться на большие расстояния, это порождало бы массу поразительных явлений, которые никогда не наблюдаются. Еще хуже духи. Так физики называют явления, происходящие с отрицательной вероятностью. Когда говорят, что вероятность обнаружить частицу — 30 %, это понятно, но что означает вероятность «минус 30 %»? Может, что-то и означает, но физики стараются избегать теорий с такими величинами.
