Параллельные миры

Такую, более общую, теорию назвали М-теорией, от слова Mystery. Это именно та теория, различные фазы которой может описывать каждая из пяти теорий суперструн из десятимерия.

Сначала предлагалось поселить М-теорию в 11-мерность. Тогда можно увидеть, каким образом лишние (по сравнению с десятимерием) степени свободы теории комбинируются в 10-мерный мир, населенный суперструнами.

Например, одна теория получается, когда 11-е измерение скручивается в очень маленькую окружность — этакий 10-мерный цилиндр. Другая теория возникает, когда М-теория выделяет две 10-мерные плоскости на некотором (очень малом) расстоянии друг от друга.

Эти плоскости, а точнее гиперплоскости, параллельны друг другу. Тогда 10-мерный мир воспроизводится граничными эффектами чего-то более общего, происходящего во всем объеме 11-мерного пространства.

Оказалось, что при слабой связи и малой энергии М-теория превращается в 11-мерную теорию супергравитации! Таким образом, последняя, до этого стоявшая особняком, включилась в общую картину мира. Однако 11-мерность может породить только две теории суперструн. Остальные три не смогли произойти из первых двух, и был сделан шаг к увеличению размерности.

Для вывода из одного источника всех теорий суперструн требуется 12-мерное пространство, где наряду с 10-пространственными измерениями имеются два времени. Но в то время как каждая из пяти теорий суперсимметрична, никакой суперсимметрии в 12-мерном пространстве нет.

Следовательно, создание теории суперструн связано с проблемой единой физической теории о мироздании.

Мировой лист

Основными объектами струнных теорий выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве — времени (мировая линия).

Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве — времени изображается двухмерной поверхностью, которая называется мировым листом. Любую точку на мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых — время, а другое — положение точки на струне.

Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве — времени. Мировой лист замкнутой струны — это цилиндр или трубка, сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.

Два куска струны могут соединиться в одну струну; в случае открытых струн они просто смыкаются концами. Аналогичным образом кусок струны может разрываться на две струны. То, что раньше считалось частицами, в струнных теориях изображается в виде волн, бегущих по струне так же, как бегут волны по натянутой веревке, если ее дернуть за конец.

Испускание и поглощение одной частицей другой отвечает соединению и разделению струн. Например, гравитационная сила, с которой Солнце действует на Землю, в теориях частиц изображалась как результат испускания какой-нибудь частицей на Солнце гравитона и последующего его поглощения какой-нибудь частицей на Земле.

В теории струн этот процесс изображается Н-об-разным соединением трубок. Две вертикальные стороны соответствуют частицам, находящимся на Солнце и на Земле, а горизонтальная поперечина отвечает летящему между ними гравитону.

Теория струн имеет очень необычную историю.

Она возникла в конце 1960-х годов при попытке построить теорию сильных взаимодействий. Идея была в том, чтобы частицы типа протона и нейтрона рассматривались как волны, распространяющиеся по струне. Тогда силы, действующие между частицами, соответствуют отрезкам струн, соединяющим между собой, как в паутине, другие участки струн. Для того чтобы вычисленная в этой теории сила взаимодействия имела значение, отвечающее эксперименту, струны должны быть эквивалентны резиновым лентам, натянутым с силой около десяти тонн.

В 1974 году парижанин Джоэль Шерк и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали работу, в которой было показано, что теория струн может описывать гравитационное взаимодействие, но только при значительно большем натяжении струны — порядка единицы с тридцатью девятью нулями тонн. В обычных масштабах предсказания такой струнной модели и общей теории относительности совпадали, но начинали различаться на очень малых расстояниях, меньших одного сантиметра, деленного на единицу с тридцатью тремя нулями.

Однако эта работа не привлекла особого внимания, потому что как раз в то время многие отказались от первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, обратившись к теории кварков и глюонов, результаты которой значительно лучше согласовались с экспериментом. В 1984 году интерес к струнам неожиданно возродился. На то было, по-видимому, две причины.

Во-первых, никто не мог ничего добиться, пытаясь показать, что супергравитация конечна или что с ее помощью можно объяснить существование всех разнообразных частиц, которые мы наблюдаем. Второй причиной стала публикация статьи Джона Шварца и Майка Грина из лондонского Куин-Мэри-колледжа, в которой было показано, что с помощью теории струн можно объяснить существование части с левой спиральностью, как у некоторых из наблюдаемых частиц.

Но струнные теории содержат серьезную трудность: они непротиворечивы лишь в 10- или 26-мерном пространстве — времени, а не в обычном четырехмерном! Лишние измерения — это обычное дело в научной фантастике, там без них и в самом деле почти невозможно обойтись — пришлось бы путешествовать в космосе неизмеримо долго. А так путь можно сократить, проходя через лишнее измерение.

Но почему же мы не замечаем всех этих дополнительных измерений, если они действительно существуют? Почему мы видим только три пространственных измерения и одно временное?

Возможно, причина кроется в том, что другие измерения свернуты в очень малое пространство размером порядка одной миллиардной доли микрона. Оно так мало, что мы его просто не способны заметить и видим лишь одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство — время выглядит довольно плоским.

То же самое происходит, когда мы глядим на поверхность апельсина: вблизи она выглядит искривленной и неровной, а издали бугорки не видны и апельсин кажется гладким. Так и пространство — время: в больших масштабах оно 10-мерно и сильно искривлено, а в очень малых масштабах кривизна и дополнительные измерения не видны. Если это представление верно, оно несет дурные вести будущим поколениям покорителей космоса: дополнительные измерения будут слишком малы для прохода космического корабля.

Возникает и другая серьезная проблема. Почему лишь некоторые, а не вообще все измерения должны свернуться в маленький шарик? На очень ранней стадии все измерения во Вселенной были, по-видимому, очень сильно искривлены. Почему же одно временное и три пространственных измерения развернулись, а все остальные остаются туго свернутыми?

Один из возможных ответов дается антропным принципом. Двух пространственных измерений, скорее всего, недостаточно, чтобы могли развиться такие сложные существа, как мы.

Трудности неизбежны, и если бы пространственных измерений было больше трех, стали бы неустойчивыми гравитационные связи между телами и планеты Солнечной системы, например, разлетелись бы или упали на Солнце.

Тогда очевидно, что жизнь, по крайне мере соответствующая нашим представлениям, может существовать лишь в таких областях пространства — времени, в которых одно временное и три пространственных измерения не очень сильно искривлены. Это означает, что мы имеем право призвать на помощь слабый антропный принцип, если сможем показать, что струнная теория допускает (а она, по-видимому, действительно допускает) существование во Вселенной областей указанного вида.