Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)
Шрифт:
Даже в контексте мульти-вселенной этот подход приводит к новому способу объяснения характеристик материи и взаимодействий. Если теория Смолина верна, и если наша Вселенная является типичным элементом зрелой мульти-вселенной (конечно, оба эти «если» можно оспорить с многих точек зрения), то наблюдаемые нами характеристики частиц и взаимодействий должны быть оптимизированы для воспроизводства черных дыр. Иными словами, любое отклонение от этих параметров должно уменьшить эффективность образования черных дыр. Физики начали исследовать это утверждение, но в настоящее время они не пришли к согласию по этому вопросу. Однако даже если предположение Смолина окажется неверным, оно показывает, что окончательная теория может принять еще один облик. С первого взгляда, этой теории может не хватать строгой определенности. Может оказаться, что она будет описывать огромное царство вселенных, большинство из которых не имеет отношения к нашей. Более того, можно предположить, что это обилие вселенных действительно реализуется физически и образует мульти-вселенную — нечто, на первый взгляд, навсегда ограничивающее нашу предсказательную силу. Однако данное обсуждение иллюстрирует, что окончательное объяснение все же возможно, если нам удастся не только найти окончательные законы, но и установить их влияние на космологическую эволюцию в непредсказуемо широких масштабах.
Изучение космологических следствий из теории струн / M-теории будет, несомненно, главной темой исследований в XXI в. Не обладая ускорителями, способными разгонять частицы до энергий порядка планковской, мы будем вынуждены постоянно опираться на данные экспериментов «космологического ускорителя» Большого взрыва — на то, что разбросано этим взрывом по всей Вселенной. И если мы будем настойчивы, и нам будет сопутствовать удача, в конце концов нам удастся ответить на вопросы о том, что происходило при рождении Вселенной, или о том, почему она преобразовалась к виду, который предстает перед нами на земле и на небе. Конечно, от области, где зарыты разгадки фундаментальных проблем, нас отделяет пропасть неизведанного. Однако развитие квантовой теории гравитации в рамках теории суперструн усиливает уверенность в том, что современный теоретический аппарат поможет преодолеть эту пропасть и, после многих лет напряженной работы, найти ответы на глубочайшие из когда-либо ставившихся вопросов.
Часть V. ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ В XXI ВЕКЕ
Глава 15. Перспективы
Пройдут века, и теория суперструн (или результат ее развития в рамках M-теории) преобразится настолько по сравнению с современной формулировкой, что станет неузнаваемой даже для ведущих современных исследователей. Возможно, в ходе поисков «теории всего» обнаружится, что теория струн — всего лишь один из множества необходимых шагов на пути к гораздо более величественной концепции космоса, которая оперирует понятиями, совершенно непохожими на те, с которыми мы до сих пор сталкивались. История науки учит тому, что каждый раз, когда все вокруг складывается в единую схему, природа обязательно приберегает для нас сюрпризы, которые требуют существенных, а иногда и радикальных изменений наших представлений об устройстве мира. Как и многие до нас, мы снова и снова самонадеянно убеждаем себя, что живем в тот самый период истории человечества, когда поиск фундаментальных законов Вселенной наконец-то близок к завершению. По словам Эдварда Виттена,
«разгадка теории струн кажется нам столь близкой, что в моменты оптимистического подъема мне представляется, как в один прекрасный день окончательная форма теории может просто свалиться с небес кому-то на голову. Скорее всего, однако, путь к этой теории — гораздо более глубокой, чем любая из построенных до сих пор, — будет долгим, и когда-нибудь в XXI в., когда я буду уже слишком стар, чтобы придумать что-либо полезное по этому вопросу, молодые физики должны будут решать, нашли мы окончательную теорию или нет». [156]
156
Интервью с Эдвардом Виттеном, 4 марта 1998 г.
Хотя мы все еще ощущаем последствия второй революции в теории суперструн и продолжаем брать на вооружение порожденные ею открытия, по мнению большинства теоретиков, потребуется третий или даже четвертый переворот такой же силы, чтобы высвободить все могущество теории струн и оценить ее роль как окончательной теории. Как мы видели, теория струн уже рисует новую замечательную картину того, как работает Вселенная, однако остаются значительные препятствия и слабые места, которые, без сомнения, станут объектом основного внимания теоретиков XXI в. Таким образом, в этой последней части книги мы не сможем закончить историю поиска человечеством наиболее глубоких законов Вселенной. Поиск продолжается. Вместо этого устремим наш взгляд в будущее теории струн и обсудим пять основных вопросов, с которыми струнные теоретики обязательно будут иметь дело в процессе поиска окончательной теории.
Один из универсальных уроков последнего столетия состоит в том, что известные законы физики находятся в соответствии с принципами симметрии. Специальная теория относительности основана на симметрии, описываемой принципом относительности, на симметрии между всеми системами отсчета, движущимися относительно друг друга с постоянной скоростью. Гравитационное взаимодействие, в соответствии с его описанием в общей теории относительности, основано на принципе эквивалентности, обобщающем принцип относительности на случай произвольным образом движущихся систем отсчета. Наконец, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия основываются на более абстрактных принципах калибровочной симметрии.
Физики, как мы уже говорили, склонны придавать особое значение принципам симметрии, поднимая их на пьедестал объяснения мироустройства. С этой точки зрения гравитация существует для того, чтобы все возможные системы отсчета были равноправны — т.е. чтобы выполнялся принцип эквивалентности. Аналогично, негравитационные взаимодействия существуют для того, чтобы в природе соблюдались соответствующие им калибровочные симметрии. Естественно, такой подход заменяет вопрос о существовании определенного типа взаимодействия вопросом о том, почему в природе действуют соответствующие принципы симметрии. Но это, определенно, и есть прогресс, особенно когда рассматриваемая симметрия оказывается исключительно естественной. Например, с какой стати система отсчета одного наблюдателя должна быть более предпочтительной, чем система другого? Напротив, с точки зрения фундаментальных законов вселенной кажется гораздо более естественным трактовать все системы отсчета одинаково; это и достигается принципом эквивалентности и введением понятия о гравитации в структуру космоса. Аналогичное рациональное зерно есть и в калибровочных принципах, лежащих в основе трех негравитационных взаимодействий (хотя, как обсуждалось в главе 5, для полного понимания этого факта требуется владение определенным математическим аппаратом).
В теории струн мы достигаем следующего уровня глубины при объяснении явлений, поскольку все описанные принципы симметрии, а также суперсимметрия возникают из структуры этой теории. В самом деле, если бы ход истории был иным и физики открыли бы теорию струн несколькими столетиями раньше, можно предположить, что все эти принципы симметрии были бы открыты при изучении теории струн. Однако не стоит забывать, что в то время как принцип эквивалентности дает нам понимание того, почему существует гравитация, а калибровочные симметрии дают понимание того, почему существуют негравитационные силы, в контексте теории струн эти симметрии есть лишь следствия. И хотя их значимость никоим образом не преуменьшается, они — всего лишь часть выводов, содержащихся в гораздо большей теоретической структуре.
Данное обсуждение со всей ясностью приводит к следующему вопросу: является ли сама теория струн необходимым следствием некоторого более широкого принципа, — возможно, но необязательно, принципа симметрии, — в том же самом смысле, в котором принцип эквивалентности с неизбежностью приводит к общей теории относительности, а калибровочные симметрии приводят к негравитационным взаимодействиям? К моменту написания данной книги ответ на этот вопрос никому не известен. Чтобы осознать его важность, достаточно представить Эйнштейна, пытающегося сформулировать общую теорию относительности без тех счастливых идей, которые посетили его в Бернском патентном бюро в 1907 г. и привели к принципу эквивалентности. Нельзя утверждать, что формулировка общей теории относительности была бы невозможна, однако определенно она стала бы чрезвычайно затруднительной. Принцип эквивалентности предоставляет сжатый, систематичный и мощный организующий подход для анализа гравитационного взаимодействия. К примеру, описание общей теории относительности, которое мы дали в главе 3, существенным образом опирается на принцип эквивалентности, а роль последнего в полном математическом формализме теории еще более критична.
В настоящее время теоретики находятся в положении Эйнштейна, утратившего принцип эквивалентности. С момента проницательного предположения Венециано в 1968 г. теория собиралась по кускам, открытие за открытием, революция за революцией. Однако центральный организующий принцип, который охватывает эти открытия, а также другие свойства теории в рамках одного универсального и систематического подхода, который делает существование каждого ингредиента абсолютно неизбежным, все еще не найден. Открытие этого принципа было бы центральным событием в развитии теории струн, так как это, вероятно, раскрыло бы внутренние механизмы теории с недостижимой ранее ясностью. Конечно, нет гарантии, что такой фундаментальный принцип существует, однако эволюция физики в течение последнего столетия дает теоретикам основания надеяться, что он все-таки есть. Так как мы рассматриваем следующую стадию развития теории струн, нахождение ее «принципа безальтернативности» — той базовой идеи, из которой вся теория появится с необходимостью, — имеет высший приоритет. [157]
157
Некоторые теоретики усматривают указание на эту идею в голографическом принципе — концепции, выдвинутой Сасскиндом и известным датским физиком Герардом 'т Хофтом. Подобно тому, как на голограмме можно воспроизвести трехмерное изображение, используя специальным образом изготовленную двумерную пленку, все физические явления, согласно Сасскинду и 'т Хофту, можно полностью закодировать уравнениями, определенными в мире меньшей размерности. И хотя это может показаться столь же неординарным, сколь и рисование портрета человека по его тени, можно уловить смысл этого утверждения и понять некоторые аргументы Сасскинда и 'т Хофта, вспоминая обсуждение энтропии черных дыр из главы 13. Напомним, что энтропия черной дыры определяется площадью поверхности ее горизонта событий, а не полным объемом, который ограничен этим горизонтом. Поэтому беспорядок черной дыры, а, следовательно, и хранимая в ней информация об этом беспорядке, закодированы двумерными данными на поверхности. Все происходит примерно так, как если бы горизонт черной дыры играл роль голограммы, запечатлевающей весь объем информации во внутренней трехмерной области. Сасскинд и 'т Хофт обобщили эту идею на всю Вселенную и предположили, что все происходящие «внутри» Вселенной события есть просто отражение данных и уравнений, определенных на далекой поверхности ее границы. Недавние результаты гарвардского физика Хуана Малдасены, а также последовавшие важные работы Виттена и принстонских физиков Стивена Губсера, Игоря Клебанова и Александра Полякова показали, что (по крайней мере, в ряде конкретных случаев) в теорию струн заложен голографический принцип. В конструкции, которая в настоящее время интенсивно исследуется, управляемые теорией струн физические законы Вселенной имеют эквивалентное описание в терминах законов, относящихся лишь к граничной поверхности, размерность которой с необходимостью меньше, чем размерность пространства внутри. Некоторые теоретики считают, что полное понимание смысла голографического принципа и его роли в теории струн приведет к третьей революции в теории суперструн.
В предыдущих главах мы часто вольно использовали понятия пространства и пространства-времени. В главе 2 мы описали эйнштейновское понимание того, что пространство и время нерасторжимо перемешаны благодаря неожиданному факту, что движение объекта в пространстве влияет на его перемещение во времени. В главе 3 мы углубили наше понимание роли пространства-времени в описании космоса посредством общей теории относительности, которая показывает, что гравитационное взаимодействие между разными областями вызвано изменениями детальной структуры пространства-времени. Как обсуждалось в главах 4 и 5, необходимость учета сильных квантовых флуктуации в микромире привела к необходимости построения новой теории — так была открыта теория струн. И, наконец, в последующих главах мы видели, что согласно теории струн Вселенная имеет больше измерений, чем мы наблюдаем в повседневной жизни: некоторые измерения свернуты в крошечные, но сложные многообразия, способные претерпевать чудесные превращения, в которых их ткань прокалывается, рвется и затем восстанавливает сама себя.