Параллельные
жүктеу/скачать 2.89 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Лиза Рэндалл
- IСталкивающиеся вселенные
- Черные мини-дыры
- Черные дыры и информационный парадокс
- Голографическая вселенная
- Является ли Вселенная компьютерной программой
Мир бран Одной из оригинальных черт М-теории является то, что она вводит не только струны, но и целый зверинец мембран различных измере- ний. В таком представлении точечные частицы называются «нуль- бранами», потому что они бесконечно малы и не имеют измерения. Тогда струна «однобранна», поскольку это одномерный объект, определяемый своей длиной. Мембрана «двубранна», подобно поверхности баскетбольного мяча, которая определяется длиной и шириной. (Баскетбольный мяч может двигаться в трех измерениях, но его поверхность лишь двумерна). Наша Вселенная может быть «трехбранной», трехмерным объектом, обладающим длиной, шири- ной и высотой. Существует несколько способов, при помощи которых мы можем взять мембрану и свести ее к струне. Вместо того чтобы сворачивать одиннадцатое измерение, мы также можем вырезать ломтик-экватор из одиннадцатимерной мембраны, создав таким образом замкнутую ленту. Если мы уберем толщину этой ленты, то она превратится в десятимерную струну. Петр Хорава и Эдвард Виттен показали, что таким образом мы приходим к гетеротической модели струн. В сущности, можно показать, что существует пять способов све- сти одиннадцатимерную М-теорию к десяти измерениям, получив в результате те самые пять теорий суперструн. М-теория дает нам быстрый интуитивный ответ на загадку, почему существует пять струнных теорий. Представьте, что вы стоите на вершине высокого холма и смотрите на равнины. С удачной точки обзора в третьем из- мерении отдельные части равнины предстают нам объединенными в единую связную картину. Подобным образом, с точки обзора в одиннадцатом измерении, глядя «вниз» на десятимерную равнину, мы видим безумное лоскутное одеяло, сшитое из пяти теорий супер- струн — отдельных лоскутков одиннадцатого измерения. Дуальность Хотя Пол Таунсенд и не смог ответить на большую часть заданных мной вопросов, окончательно в правильности этой идеи меня убеди- ла сила еще одной симметрии. М-теория не только обладает самым большим набором симметрии, известным физике, у нее есть и еще один козырь в рукаве: дуальность, которая дает М-теории сверхъ- естественную способность вместить пять теорий суперструн в одну теорию. Рассмотрим электричество и магнетизм, которые подчиняются уравнениям Максвелла. Было давно замечено, что если мы поменяем местами электрическое поле и магнитное, то уравнения останутся почти неизменными. Эта симметрия станет полной, если мы добавим монополи (единичные магнитные полюса) в уравнения Максвелла. Пересмотренные уравнения Максвелла останутся совершенно не- изменными, если мы поменяем электрическое поле с магнитным и заменим электрический заряд е на обратный магнитный заряду. Это означает, что электричество (если электрический заряд мал) в точ- ности эквивалентно магнетизму (если магнитный заряд велик). Эта эквивалентность называется дуальностью. В прошлом эту дуальность считали не более чем научной дико- винкой, предметом салонных разговоров, поскольку вплоть до сегод- няшнего дня никто не видел монополя. Однако физики посчитали примечательным тот факт, что в уравнениях Максвелла содержалась скрытая симметрия, которой природа, по всей видимости, не пользу- ется (во всяком случае, в нашем секторе Вселенной). Подобным образом и пять струнных теорий дуальны по отно- шению друг к другу. Рассмотрим струнную теорию типа I и гетеро- тическую струнную теорию SO(32). Обычно эти две теории даже не выглядят похожими. Теория типа I основана на разомкнутых и замкнутых струнах, которые могут взаимодействовать пятью раз- личными способами, при этом результатом взаимодействия являет- ся расщепление и соединение струн. С другой стороны, струнная теория SO(32) имеет дело только с замкнутыми струнами, которые взаимодействуют только одним способом — подвергаются митозу (подобно клеткам). Струнная теория типа I определяется исключи- тельно для десятимерного пространства, в то время как в струнной теории SO(32) имеется один набор вибраций, определенный в два- дцатишестимерном пространстве. Сложно найти теории, которые были бы в большей степени не похожи друг на друга. Однако, как и в электромагнетизме, эти две теории обладают мощной дуальностью: если увеличить силу взаи- модействий, то струны типа I будто по волшебству превращаются в гетеротические струны типа SO(32). (Этот результат настолько неожиданный, что, когда я впервые увидел его, я в изумлении покачал головой. В физике редко находятся две теории, которые кажутся со- вершенно разными во всех отношениях, в то время как доказывается, что они математически эквивалентны.) Лиза Рэндалл Возможно, основным преимуществом М-теории над струнной тео- рией является то, что вместо того, чтобы быть довольно маленькими, эти дополнительные измерения на самом деле довольно велики и их даже можно наблюдать в лаборатории. Согласно струнной теории, шесть из десяти измерений должны быть свернуты в крошечный шарик, многообразие Калаби-Яу, которое слишком мало для того, чтобы его можно было наблюдать при помощи доступных нам сегод- ня инструментов. Эти шесть измерений были компактифицированы, благодаря чему попасть в дополнительные измерения не представля- ется возможным, что, конечно, разочарует тех, кто надеялся однажды взмыть в бесконечное гиперпространство, а не просто срезать марш- рут через компактифицированное гиперпространство посредством порталов-червоточин. Однако отличительным свойством М-теории является то, что в ней фигурируют мембраны. Всю нашу Вселенную можно рассма- тривать в виде мембраны, парящей в намного большей вселенной. В результате этого не все дополнительные измерения необходимо сворачивать в шарик. По сути, некоторые из них могут быть огром- ны, бесконечны в своей протяженности. Физиком, попытавшимся разработать это новое представление о Вселенной, стала Лиза Рэндалл из-Гарварда. Несколько похожая на актрису Джоди Фостер, Рэндалл кажется не на своем месте в исклю- чительно мужской профессии физика-теоретика, где царит жестокая конкуренция, а движущей силой является тестостерон. Она разра- батывает идею о том, что если наша Вселенная действительно пред- ставляет собой три-брану, парящую в пространстве, содержащем дополнительные измерения, то, возможно, это объясняет тот факт, что гравитация намного слабее трех остальных взаимодействий. Рэндалл выросла в нью-йоркском Куинсе; в школе она не выказы- вала особого интереса к физике, зато обожала математику. Я считаю, что, хотя все мы рождаемся учеными, не каждый способен продол- жить роман с наукой в более взрослом возрасте. Одной из причин тому является каменная стена математики, встающая перед нами. Нравится нам это или нет, если мы хотим сделать научную карье- ру, то в конце концов приходится выучить «язык природы» — ма- тематику. Без математики мы можем только пассивно наблюдать за танцем природы, не принимая в нем активного участия. Как когда-то выразился Эйнштейн: «Чистая математика является своеобразной поэзией логических идей». Разрешите и мне предложить аналогию. Можно любить французскую цивилизацию и литературу, но для того, чтобы понять французское мышление, необходимо выучить I М-теория: мать всех струн 247 французский язык и спряжения французских глаголов. Таким же об- разом дело обстоит в науке с математикой. Когда-то Галилей написал: «[Вселенную] нельзя прочесть до тех пор, пока мы не выучим языка и не ознакомимся с символами, в которых она написана. Она написана на языке математики, а буквы этого языка — треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без посредства которых понять одно-единственное слово не в человеческих силах». Математики часто гордятся тем, что из всех ученых они самые непрактичные. Чем более абстрактна и бесполезна математика, тем лучше. Причиной, по которой Рэндалл поменяла сферу научной деятельности, будучи студенткой в Гарварде в начале 1980-х годов, стало то, что ей понравилась возможность физики создавать «мо- дели» Вселенной. Для примера, модель кварков основана на идее о том, что внутри протона находятся три его составляющие — кварка. На Рэндалл произвело большое впечатление то, что простые модели, основанные на физических картинах, могут адекватно объяснить многое во Вселенной. В 1990-е годы Рэндалл заинтересовалась М-теорией, возмож- ностью того, что вся Вселенная представляет собой мембрану. Она сосредоточила свои усилия на, возможно, наиболее загадочной характеристике гравитации — на том, что сила ее астрономически мала. Ни Ньютон, ни Эйнштейн не обращались к этому фундамен- тальному, но загадочному вопросу. В то время как сила трех других взаимодействий (электромагнитного, слабого ядерного и сильного ядерного) вполне сравнима, гравитационное взаимодействие суще- ственно им уступает. В частности, массы кварков намного меньше массы, ассоциируе- мой с квантовой гравитацией. «Расхождение не маленькое; две шкалы масс разделены шестнадцатью порядками величины! Только теории, способные объяснить этот огромный диапазон, могут претендовать на место впереди Стандартной модели», — говорит Рэндалл. Тот факт, что сила гравитации столь мала, объясняет, почему звезды так велики. Земля со всеми ее океанами, горами и континен- тами — это всего лишь крошечная пылинка по сравнению с огром- ными размерами Солнца. Но в связи с малостью силы гравитации требуется масса целой звезды для такого сжатия водорода, которое преодолевает электрическое отталкивающее взаимодействие про- тонов. Таким образом, звезды настолько массивны потому, что сила гравитационного взаимодействия так мала в сравнении с тремя остальными. Поскольку М-теория вызвала столько волнения в физике, не- сколько групп ученых попытались применить эту теорию к нашей Вселенной. Представьте, что Вселенная — это три-брана, парящая в пятимерном мире. В такой картине вибрации на поверхности три- браны соответствуют атомам, которые мы наблюдаем вокруг нас. Таким образом, эти вибрации никогда не покидают три-брану, а отсю- да следует, что они не могут сместиться в пятое измерение. Даже с уче- том того, что наша Вселенная парит в пятом измерении, наши атомы не могут ее покинуть, поскольку они представляют вибрации на по- верхности три-браны. Это может стать ответом на вопрос, заданный Калуцой и Эйнштейном в 1921 году: где находится пятое измерение? Ответ таков: мы парим в пятом измерении, но не можем войти в него, потому что наши тела прикованы к поверхности три-браны. Однако в такой картине существует потенциальный изъян. Гра- витация представляет собой искривление пространства. Можно было бы наивно ожидать, что гравитация может заполнить все пя- тимерное пространство, а не только три-брану; при таком варианте развития событий гравитация бы рассеивалась сразу по выходе из три-браны. Это и ослабляет гравитационное взаимодействие. Это хороший довод в поддержку теории, поскольку, как мы знаем, грави- тационное взаимодействие является намного более слабым, чем три других. Но в такой картине сила гравитации слишком ослабляется: был бы нарушен закон обратных квадратов Ньютона, а он прекрасно работает для планет, звезд и галактик. (Представьте себе лампочку, освещающую комнату. Свет распространяется сферически. Сила его рассеивается в пределах сферы. Если мы увеличим радиус сферы вдвое, то свет будет распространяться в сфере с площадью, в 4 раза превосходящей первоначальную. В общем случае существования лампы в n-мерном пространстве яркость ее света убывает, рассеи- ваясь по сфере, площадь которой увеличивается пропорционально (п - 1 )-й степени радиуса). Чтобы ответить на этот вопрос, группа физиков, в которую вхо- дили Н. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали, выдвинула пред- положение о том, что пятое измерение, возможно, не бесконечно, а находится всего лишь в миллиметре от нашего, покачиваясь прямо над нашей Вселенной, совсем как в научно-фантастическом произве- дении Герберта Уэллса. (Если бы пятое измерение лежало дальше, чем в миллиметре от нас, то оно могло бы создать измеримые нарушения закона обратных квадратов Ньютона.) А если пятое измерение нахо- дится всего лишь на расстоянии одного миллиметра от нас, то такое предположение можно было бы проверить, найдя мельчайшие от- клонения от закона тяготения Ньютона для чрезвычайно малых рас- стояний. Закон Ньютона прекрасно работает на астрономических расстояниях, но его никогда еще не проверяли на расстоянии мил- лиметров. Сейчас экспериментаторы рвутся проверить крошечные отклонения от закона обратных квадратов Ньютона. В настоящее время получение этого результата является предметом нескольких проводимых экспериментов, как мы увидим в главе 9. Рэндалл и ее коллега Раман Сундрум решили применить новый подход и пересмотреть возможность того, что пятое измерение нахо- дилось не на расстоянии миллиметра от нас, а было бесконечно. Для достижения своей цели им необходимо было объяснить, каким обра- зом пятое измерение могло быть бесконечным, не нарушив при этом закона гравитации Ньютона. Здесь Рэндалл обнаружила возможный ответ на загадку. Она выяснила, что три-брана обладает собствен- ным гравитационным притяжением, которое не давало гравитонам вырваться в пятое измерение. Гравитонам приходится липнуть к три-бране (подобно мухам, попавшимся на липучку) из-за действия гравитации, оказываемого три-браной. Таким образом, оценивая закон Ньютона, мы видим, что он приблизительно верен для нашей Вселенной. Действие гравитации рассеивается и ослабляется, выхо- дя из три-браны и попадая в пятое измерение, но далеко оно не рас- пространяется: закон обратных квадратов все еще приблизительно действует, поскольку гравитоны все же притягиваются к три-бране. (Лизе Рэндалл также принадлежит гипотеза о вероятности суще- ствования параллельной нам второй мембраны. Если вычислить едва различимое взаимодействие гравитации между двумя мембранами, то результат можно подогнать таким образом, что мы сможем числен- «Первые предположения о том, что дополнительные измерения представляют альтернативные пути обращения к [проблеме ие- рархии], вызвали бурю волнения, — говорит Рэндалл. — Дополни- тельные пространственные измерения поначалу могут показаться дикой и безумной идеей, но существуют веские причины считать, что дополнительные измерения пространства действительно суще- ствуют». Если эти физики правы, то гравитационное взаимодействие столь же сильно, как и остальные, только оно ослабляется, поскольку часть его утекает в пространство дополнительных измерений. Одним из глубоких следствий этой теории является то, что энергия, при кото- рой квантовые взаимодействия можно измерить, возможно, не равна энергии Планка (Ю19 млрд электронвольт), как считалось ранее. Возможно, необходимы всего лишь триллионы электронвольт, а в та- ком случае при помощи Большого адронного коллайдера (заверше- ние конструирования которого планируется к 2007 году), возможно, удастся уловить квантовые гравитационные эффекты еще в этом деся- тилетии. Это также побудило физиков-экспериментаторов открыть активную охоту на экзотические частицы за пределами Стандартной модели субатомных частиц. Возможно, квантовые гравитационные взаимодействия находятся в пределах нашей досягаемости. Мембраны также предоставляют вполне вероятный, хоть и гипо- тетический ответ на загадку темного вещества. В романе Герберта Уэллса «Человек-невидимка» главный герой парил в четвертом из- мерении, а потому был невидим. Подобным образом, представим, что прямо над нашей Вселенной парит параллельный мир. Любая галактика в этой параллельной вселенной будет невидима для нас. Но поскольку гравитация вызвана искривлением гиперпростран- ства, то гравитационное взаимодействие могло бы перемещаться между вселенными. Любая большая галактика в этой параллельной вселенной притягивалась бы через гиперпространство к галактике в нашей Вселенной. Таким образом, измерив свойства наших галак- тик, мы бы обнаружили, что их гравитационное притяжение гораздо больше, чем ожидалось согласно законам Ньютона, поскольку на заднем плане прячется другая галактика, парящая на соседней бране. Эта скрытая галактика за пределами нашей галактики была бы со- вершенно невидимой, паря в другом измерении, но она бы казалась рало, окружающим нашу галактику и содержащим в себе 90 % массы. Таким образом, существование темного вещества может объяснять- ся присутствием параллельной вселенной. IСталкивающиеся вселенные Может быть, и несколько преждевременно применять М-теорию к серьезной космологии. Тем не менее физики попытались применить «физику бран» для нового поворота в стандартном инфляционном подходе ко Вселенной. Внимание привлекают три возможные космо- логии. Первая космология пытается ответить на вопрос: почему мы живем в четырех пространственно-временных измерениях? В принципе, М-теория может быть сформулирована во всех изме- рениях вплоть до одиннадцатого, а потому кажется загадочным, что выделяются именно эти четыре измерения. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа выдвинули гипотезу о том, что причиной этого являет- ся геометрия струн. Согласно предложенному ими сценарию, Вселенная зародилась в идеально симметричном состоянии, при этом все дополнительные измерения были свернуты, измеряясь в масштабах длины Планка, От расширения Вселенную сдерживали петли струн, плотно обмо- танные вокруг различных измерений. Представьте себе спираль, которая не может расшириться, потому что она плотно обмотана струнами. Если струны каким-либо образом порвутся, то спираль освободится и расширится. В этих крошечных измерениях Вселенная не может расшириться из-за обмотки струн и антиструн (грубо говоря, антиструны намо- таны в противоположном направлении относительно струн). Если струна и антиструна сталкиваются, то они могут аннигилировать и исчезнуть, что похоже на развязывание узла. В очень больших из- мерениях настолько «просторно», что струны и антиструны редко сталкиваются и никогда не распутываются. Однако Бранденбергер и Вафа показали, что в трех или менее пространственных измерениях наиболее вероятен вариант событий, при котором струны и анти- струны столкнутся. При таких столкновениях струны распутывают- ся и измерения вырываются вовне, что и дает нам Большой Взрыв. Привлекательной чертой такой картины является то, что топология струн дает нам примерное объяснение, почему мы видим вокруг себя четыре привычных измерения. Вселенные с дополнительными из- мерениями возможны, но вероятность увидеть эти вселенные ниже, поскольку они все еще плотно обмотаны струнами и антиструнами. Но в М-теории существуют также и другие возможности. Если вселенные могут откалываться или отпочковываться одна от другой, что рождает новые вселенные, то, быть может, возможно и обратное: вселенные могут сталкиваться. При этом в момент столкновения об- разуются искры, дающие начало новым вселенным. Согласно такому сценарию, возможно, что Большой Взрыв произошел при столкно- вении двух параллельных вселенных-бран, а не при отпочковании от другой вселенной. Эта вторая теория была предложена физиками Полом Щтайн- хардтом из Принстона, Бертом Оврутом из Пенсильвании и Нилом Туроком из Кембриджского университета, которые создали «экпиротическую» (что по-гречески означает «столкновение») Вселенную и включили в нее оригинальные черты картины, пред- лагаемой М-теорией. В такой Вселенной некоторые дополнительные измерения могли быть большими и даже бесконечными по размеру. Они начинаются с двух плоских однородных и параллельных три- бран, которые представляют состояние низкой энергии. Изначально они зародились как пустые холодные вселенные, но гравитационное взаимодействие постепенно подтягивает их ближе и ближе друг к другу. В конце концов они сталкиваются, и невероятная кинетиче- ская энергия столкновения конвертируется в вещество и излучение, наполняющие нашу Вселенную. Некоторые называют эту теорию не теорией Большого Взрыва, а теорией «Большого Хлопка (или Схлопывания)», поскольку сценарий предполагает столкновение («схлопывание») двухбран. Сила взрыва разбрасывает вселенные в стороны. Отделяясь друг от друга, эти две мембраны стремительно остывают и дают нам ту самую Вселенную, что мы видим сегодня. Остывание и расширение продолжаются триллионы лет, до тех пор, пока температура вселен- ных не достигнет температуры абсолютного нуля, а их плотность не составит один электрон на квадриллион кубических световых лет космоса. В сущности, Вселенная становится пустой и инертной. Но сила гравитации продолжает свое действие — она привлекает две мембраны друг к другу до тех пор, пока, спустя еще триллионы лет, они не столкнутся вновь, и этот цикл повторяется снова й снова. Этот новый сценарий может добавить новые преимущества инфляции (плоскость, однородность). Он разрешает вопрос о том, почему Вселенная такая плоская — потому что с самого начала обе браны были плоскими. Такая модель также объясняет проблему горизонта, то есть факт, что Вселенная видится такой однородной, куда бы мы ни взглянули. Это происходит потому, что мембране тре- буется много времени, чтобы медленно прийти в состояние равно- весия. Таким образом, в то время как инфляция объясняет проблему горизонта тем, что Вселенная внезапно расширяется, этот сценарий решает проблему горизонта от противного — при помощи предпо- ложения о том, что в своем медленном движении Вселенная стремит- ся к равновесию. (Это также означает, что в гиперпространстве возможно суще- ствование других мембран, которые в будущем могут столкнуться с нашей, создавая тем самым еще один Большой Хлопок. Учитывая тот факт, что наша Вселенная ускоряется, еще одно столкновение, в сущности, весьма вероятно. Штайнхардт добавляет: «Возможно, ускорение расширения Вселенной является предвестником такого столкновения. Это не самая приятная мысль».) Любой сценарий, который резко расходится с общепринятой ин- фляционной теорией, неизбежно приводит к жарким дебатам. В те- чение недели после помещения данной работав Сети АндрейЛинде, его жена Рената Каллош (которая занимается теорией струн) и Лев Кофман из Университета Торонто написали критический отзыв по поводу этого сценария. Линде раскритиковал эту модель потому, что нечто столь катастрофичное, как столкновение двух вселенных, могло бы создать сингулярность, где температуры и плотности стремятся к бесконечности. «Подобным образом можно бросить стул в черную дыру, которая испарит частицы стула, а затем сказать, что в ней каким-то образом сохраняется форма стула», — выразил свой протест Линде. Штайнхардт ответил: «То, что выглядит как сингулярность в че- тырех измерениях, может вовсе не являться ею в пяти измерениях... Когда браны сталкиваются, пятое измерение временно исчезает, но сами браны не исчезают. Поэтому плотность и температура не воз- растают до бесконечности, а время не нарушает свойход. Хотя общая теория относительности здесь просто бесится, струнная теория ведет себя нормально. И то, что когда-то выглядело катастрофой для этой модели, теперь кажется поправимым». На стороне Штайнхардта мощь М-теории, которая, как известно, исключает сингулярности. В сущности, именно поэтому физикам- теоретикам для начала необходима квантовая теория гравитации, чтобы исключить все бесконечности. Однако Линде указывает на концептуально слабое место этой картины, а именно заявление о том, что в самом начале браны существовали в плоском однородном состоянии. «Если начинать с совершенства, то возможно объяснить то, что вы видите... но вы до сих пор не ответили на вопрос: почему вселенная должна родиться совершенной?» — возражает Линде. Штайнхардт отвечает: «Плоское плюс плоское дает в сумме пло- ское». Иными словами, необходимо допустить, что мембраны роди- лись в состоянии самой низкой энергии — будучи плоскими. И наконец, существует еще одна возможная теория космоло- гии, задействующая струнную теорию. Это теория событий, про- исшедших до Большого Взрыва, которая принадлежит Габриэлю Венециано, тому самому физику, который помог заложить основы этой теории в 1968 году. Согласно его теории, Вселенная зародилась как черная дыра. Если мы хотим знать, на что похожа черная дыра из- нутри, то нам всего лишь надо оглянуться назад. Согласно этой теории, в действительности Вселенная бесконечно стара. Зародилась она в далеком прошлом и была почти пустой и хо- лодной. Гравитационное взаимодействие начало подтягивать комки вещества друг к другу по всей Вселенной. Постепенно эти скопления стали настолько плотными, что превратились в черные дыры. Вокруг каждой черной дыры начал формироваться горизонт событий, прочно отделяя все, лежащее за горизонтом событий, от того, что на- ходилось в его пределах. Внутри каждого такого горизонта событий вещество продолжало сжиматься под действием силы гравитации до тех пор, пока в конце концов черная дыра не достигла размеров длины Планка. В этот момент вступает струнная теория. Длина Планка является минимальным расстоянием, допустимым в струнной теории. Затем в черной дыре начинается обратный процесс: происходит огром- ный взрыв, который и является Большим Взрывом. Поскольку этот процесс может неоднократно происходить во всей Вселенной, это означает, что могут существовать и другие далекие черные дыры/ вселенные. (Мысль о том, что наша Вселенная может быть черной дырой, не настолько притянута за уши, как это может показаться. Интуитивно мы понимаем, что черная дыра должна быть чрезвычайно плотной и обладать невероятным разрушающим гравитационным полем, но так случается не всегда. Размер горизонта событий черной дыры пропор- ционален ее массе. Чем более массивна черная дыра, тем больше ее горизонт событий. Но больший горизонт событий означает, что ве- щество распределено в большем объеме. В результате в действитель- ности плотность уменьшается по мере того, как возрастает масса. В сущности, если бы черная дыра обладала массой нашей Вселенной, то ее размер примерно соответствовал бы размеру нашей Вселенной, а плотность ее была бы заметно ниже, чем в нашей Вселенной.) Однако некоторых астрофизиков не впечатляет применение струнной теории и М-теории к космологии. Джоэл Примак из Калифорнийского университета в Санта-Крусе дает более суровую оценку событий: «Я думаю, что глупо всерьез заниматься всем этим. Идеи, предлагаемые в этих работах, в принципе не подлежат про- верке». Только время покажет, прав ли Примак, но поскольку темпы развития струнной теории увеличиваются, вскоре мы можем найти решение этой проблемы, а прийти оно может с наших космических спутников. Как мы увидим в главе 9, к 2020 году планируется отправ- ка в открытый космос нового поколения детекторов гравитацион- ных волн, таких, как LISA (космическая лазерная антенна-интерфе- рометр). Именно эти детекторы дадут нам возможность отбросить или подтвердить некоторые из этих теорий. Если права, к примеру, инфляционная теория, то LISA должна уловить сильнейшие гравита- ционные волны, образовавшиеся в ходе первоначального процесса : расширения. Однако экпиротическая Вселенная прогнозирует медленное столкновение вселенных и, следовательно, гораздо более мягкие волны. LISA должна экспериментально опровергнуть одну из этих теорий. Иными словами, в гравитационных волнах, образовав- шихся при изначальном Большом Взрыве, закодированы данные, не- обходимые для определения того, какой сценарий является верным. LISA может впервые представить основательные эксперименталь- ные результаты, касающиеся теории инфляции, струнной теории и М-теории. Черные мини-дыры Поскольку струнная теория в действительности является теорией всей Вселенной, то для ее проверки необходимо создать Вселенную в лаборатории (см. главу 9). Обычно мы ожидаем, что квантовые эф- фекты гравитации проявятся при энергии Планка, что в квадриллион раз мощнее, чем самый мощный ускоритель частиц, имеющийся в на- шем распоряжении, — и, следовательно, проверка струнной теории прямым путем невозможна. Но если и вправду есть параллельная вселенная, которая существует на расстоянии меньше миллиметра от нашей, то энергия, при которой происходит слияние и проявля- ются квантовые эффекты, может быть довольно низкой, в пределах досягаемости следующего поколения ускорителей частиц, таких, как Большой адронный коллайдер. Это предположение, в свою очередь, вызвало лавину интереса в физике черных дыр. При этом наиболее интересными оказались «черные мини-дыры». Черные мини-дыры, которые ведут себя подобно субатомным частицам, являются «ла- бораторией», в которой можно проверить некоторые из прогнозов струнной теории. Физиков очень возбуждает возможность создания таких дыр при помощи Большого адронного коллайдера. (Черные мини-дыры очень малы, их размеры сравнимы с размерами электро- на, и можно не опасаться того, что они поглотят Землю. Космические лучи, бьющие по Земле, — обычное дело. Их энергии намного пре- восходят черные дыры, тем не менее всякое вредное воздействие на планету отсутствует.) В действительности идея черной дыры, скрывающейся за су- батомной частицей, стара. Впервые ее предложил Эйнштейн в 1935 году. С точки зрения Эйнштейна, должна существовать единая теория поля, в которой вещество, состоящее из субатомных частиц, можно было бы рассматривать как некое искривление материи про- странства-времени. Эйнштейн считал, что субатомные частицы вроде электрона в действительности являются «изгибами» или порталами-червоточинами в искривленном пространстве, которые на расстоянии выглядят как частицы. Эйнштейн и Натан Розен рас- сматривали идею о том, что электрон может в действительности выть замаскированной черной мини-дырой. Эйнштейн по-своему ропытался включить вещество в состав такой единой теории поля, которая свела бы субатомные частицы к чистой геометрии. Черные мини-дыры были снова предложены Стивеном Хокингом, который доказал, что черные дыры должны слабо испарять и ис- пускать энергию. В течение многих эпох черная дыра испустила бы акое огромное количество энергии, что постепенно бы сжалась и в юнце концов превратилась бы в субатомную частицу. Сегодня струнная теория заново представляет концепцию чер- ных мини-дыр. Вспомним о том, что черные дыры образуются, когда большое количество вещества сжимается до радиуса Шварцшильда. Маcca и энергия могут быть конвертированы друг в друга, а это зна- чит, что черные дыры можно также создать путем сжатия энергии. Ученые задаются вопросом о том, сможет ли Большой адронный коллайдер создать черные мини-дыры среди остатков, образующих- ся при столкновении двух протонов при энергии в 14 триллионов электронвольт. Такие черные дыры были бы очень малы и имели бы массу, возможно, в тысячу раз меньше электрона, а жизнь их измеря- лась бы периодом лишь в 10~23 секунды. Но они были бы отчетливо видны среди следов субатомных частиц, созданных Большим адрон- ным коллайдером. Физики также надеются на то, что космические лучи из открытого космоса могут содержать в себе черные мини-дыры. Техника в обсер- ватории имени Пьера Оже в Аргентине, предназначенная для изуче- ния космических лучей, настолько чувствительна, что может уловить некоторые из самых больших вспышек космических лучей в истории науки. Ученые возлагают надежды на то, что черные мини-дыры мо- гут быть обнаружены в естественном виде среди космических лучей, которые попадают в верхние слои земной атмосферы, порождая тем рамым широкие атмосферные ливни. Один из подсчетов показывает, чтo в год детектор космических лучей смог бы уловить до десяти лив- ней космических лучей, вызванных такой черной мини-дырой. Обнаружение черной мини-дыры либо при помощи Большого адронного коллайдера в Швейцарии, либо при помощи детектора космических лучей в Обсерватории Пьера Оже в Аргентине, воз- можно, уже в этом десятилетии представило бы веское доказатель- ство в пользу существования параллельных вселенных. Хотя это до- казательство не окончательно подтвердило бы правильность струн- ной теории, оно бы убедило все физическое сообщество в том, что струнная теория согласуется с экспериментальными результатами и что ее разработка продвигается в нужном направлении. Черные дыры и информационный парадокс Струнная теория может также пролить свет на некоторые из глубо- чайших парадоксов физики черных дыр, таких, как информационный парадокс. Как вы помните, черные дыры не абсолютно черные, они испускают малые количества излучения посредством туннелиро- вания. Согласно квантовой теории, существует небольшая вероят- ность того, что излучение может вырваться из тисков гравитации черной дыры. Это приводит к медленной утечке излучения из черной дыры. Такое излучение называется излучением Хокинга. Этому излучению, в свою очередь, присуща некоторая температу- ра (которая пропорциональна площади поверхности горизонта со- бытий черной дыры). Хокинг дал общий вывод этого уравнения, ко- торый не отличался доскональной точностью. Однако более тщатель- ный вывод потребовал бы привлечения всей мощи статистической механики (основанной на подсчете квантовых состояний черной дыры). Обычно расчеты в статистической механике осуществляются как подсчет количества состояний, в которых может находиться атом или молекула. Но как можно подсчитать квантовые состояния чер- ной дыры? Согласно теории Эйнштейна, черные дыры абсолютно гладкие, а потому посчитать их квантовые состояния представляется довольно проблематичным. Ученые, занимающиеся теорией струн, изо всех сил стремились закрыть этот пробел, поэтому Эндрю Стромингер и Кумрун Вафа из Гарварда решили проанализировать черную дыру при помощи М-теории. Поскольку с самой черной дырой работать было слишком сложно, они избрали другой подход и задали умный вопрос: что дуально по отношению к черной дыре? (Мы помним, что электрон дуален по отношению к магнитному монополю, такому, как единич- ный северный полюс. Отсюда путем изучения электрона в слабом электрическом поле, что достаточно просто, мы можем проанализи- ровать гораздо более сложный эксперимент: монополь, помещенный в очень большое магнитное поле.) Итак, ученые надеялись, что ду- альный по отношению к черной дыре объект окажется более легким в исследовании, хотя в конечном счете они получат тот же самый результат. При помощи ряда математических процедур Стромингеру и Вафе удалось показать, что черная дыра дуальна по отношению к скоплению одно-бран и пяти-бран. Это принесло ученым огромное облегчение, поскольку квантовые состояния этих бран были извест- ны. Когда Стромингер и Вафа затем посчитали количество квантовых состояний, они обнаружили, что оно в точности соответствовало результату, данному Хокингом. Это стало приятной новостью. Струнная теория, часто высмеи- ваемая за то, что она не связана с реальным миром, давала, возможно, самое изящное решение термодинамики черной дыры. Теперь ученые, работающие с теорией струн, пытаются подсту- питься к более сложной проблеме в физике черных дыр — «инфор- мационному парадоксу». Хокинг доказал, что если бросить что-либо в черную дыру, то информация, заключенная в этом объекте, будет утеряна безвозвратно и навсегда. (Так можно было бы совершить иде- альное преступление. Преступник мог бы воспользоваться черной ды- рой, чтобы уничтожить все обличающие его улики.) Единственными параметрами, которые мы можем измерить для черной дыры на рассто- янии, являются ее масса, спин и заряд. Не имеет значения, что бросить в черную дыру, — все равно вся информация, содержащаяся в объекте, будет утеряна. (Это соответствует утверждению о том, что «у черных дыр нет волос», что они «лысые», то есть потеряли всю информацию, все «волосы», за исключением этих трех параметров.) Потеря информации из нашей Вселенной кажется неизбежным следствием теории Эйнштейна, но это противоречит принципам квантовой механики, которые гласят, что в действительности ин- формацию потерять нельзя. Эта информация должна парить где-то в нашей Вселенной, даже если изначально содержащий ее объект бросили в пасть черной дыры. Хокинг писал: Большинству физиков хотелось бы верить, что информация не теряется, поскольку тогда мир стал бы безопасен и предсказуем. Но я считаю, что если серьезно подходить к общей теории от- носительности Эйнштейна, то необходимо принять во внимание возможность того, что пространство-время запутывается в узлы и вся информация теряется в образующихся складках. Выяснение того факта, теряется в действительности информация или нет, является одним из основных вопросов теоретической физики на сегодняшний день. Этот парадокс, ставший тем пунктом, в котором Хокинг разошел- ся во мнении с большинством специалистов по струнной теории, все еще не нашел своего разрешения. Но ставки среди этих ученых делаются в основном на то, чтав конечном счете мы обнаружим, куда девается теряемая информация. (Например, если в черную дыру бро- сить книгу, то вполне вероятно, что информация, заключенная в кни- ге, плавно просочится обратно в нашу Вселенную в виде крошечных вибраций, содержащихся в излучении Хокинга испаряющейся чер- ной дыры. Или, возможно, эта информация появится из белой дыры по другую сторону черной.) Именно поэтому лично я считаю, что если кто-нибудь вычислит, что происходит с информацией, когда она исчезает в черной дыре согласно струнной теории, то он (или она) обнаружит, что в действительности информация не теряется — она незаметно появляется где-то еще. В 2004 году Хокинг, ко всеобщему удивлению, заявил перед телевизионными камерами, что он пересмотрел свои взгляды на проблему информации, и этим заявлением обеспечил себе место на первой странице «Нью-Йорк тайме». Он признал, что ошибался по этому поводу. (За тридцать лет до того Хокинг поспорил с дру- гими физиками, что информация не могла утечь из черной дыры. Победитель этого пари должен был купить проигравшему хорошую удобную энциклопедию.) Хокинг заново провел некоторые из своих расчетов и сделал вывод, что если такой объект, как книга, попадал в черную дыру, то он мог нарушить поле испускаемого черной дырой излучения, тем самым позволяя информации утекать обратно во Вселенную. Информация, содержащаяся в книге, была бы закоди- рована в излучении, медленно просачивающемся за пределы черной дыры, но уже в искаженной форме. С одной стороны, такой подход поставил Хокинга в один ряд с большинством квантовых физиков, которые считают, что информа- ция не может быть утеряна. Но это также вызвало следующий во- npoc: может ли информация попасть в параллельную вселенную? На ервый взгляд, результат Хокинга ставил под сомнение идею о том, го информация может попасть через портал-червоточину в парал- лельную вселенную. Однако никто не верит в то, что в этом вопросе сказано последнее слово. До тех пор пока не будет полностью раз- работана струнная теория или не будет проведен полный квантовый гравитационный расчет, никто не поверит, что информационный Парадокс полностью разрешен. Голографическая вселенная И наконец, существует довольно загадочный прогноз М-теории, доторый еще не до конца понятен, но может иметь далеко идущие физические и философские последствия. Этот результат заставляет «гас задать следующий вопрос: является ли вселенная голограммой? Существует ли «вселенная-тень», в которой наши тела существуют в сжатом двумерном виде? Это также вызывает еще один столь же ролнующий вопрос: является ли вселенная компьютерной програм- мой? Можно ли загнать вселенную на компакт-диск и проигрывать его на досуге? Сейчас голограммы используются на кредитных картах, в детских музеях и в парках развлечений. Они примечательны тем, что могут фиксировать завершенное трехмерное изображение на двумерной поверхности. Если вы взглянете на фотографию, а затем пошевелите головой, то изображение на фотографии не изменится. Но если вы взглянете на голографическую картинку, а затем пошевелите головой, и вы увидите, что изображение меняется, как если бы вы смотрели него через окно или в замочную скважину. (Голограммы могут в юнечном счете привести к появлению трехмерного телевидения и кино. В будущем мы, очень может быть, получим возможность рас- биться в гостиной и посмотреть на настенный экран, который даст нам полное трехмерное изображение далеких мест, как если бы растенньш телеэкран был окном, открытым на новый пейзаж. Далее, если бы настенный экран имел форму большого цилиндра, а наша гостиная при этом находилась бы в самом центре, то нам казалось бы, что мы перенеслись в новый мир. Куда бы мы ни глянули, мы бы увидели трехмерное изображение новой реальности, неотличимое от реального объекта.) Суть голограммы состоит в том, что в двумерной поверхности голограммы закодирована вся информация, необходимая для вос- произведения трехмерного изображения. (Голограммы создаются в лабораторных условиях при помощи облучения чувствительной фотопленки рассеянным на предмете лазерным светом, интерфе- рирующим с исходным излучением. Интерференция двух световых источников создает картину, которая «вмораживает» изображение в двумерную пластину.) Некоторые космологи предположили, что такой подход можно применить и к самой вселенной — что мы, возможно, живем в го- лограмме. Истоки этого необычного предположения восходят к физике черных дыр. Бекенштейн и Хокинг выдвигают гипотезу о том, что суммарное количество информации, содержащееся в черной дыре, пропорционально площади поверхности ее горизонта собы- тий (который представляет собой сферу). Это довольно странный результат, потому что обычно информация, заключенная в объекте, пропорциональна его объему. Например, количество информации, содержащейся в книге, пропорционально ее толщине, а не площади обложки. Мы понимаем это на инстинктивном уровне, когда гово- рим, что о книге нельзя судить по обложке. Но интуиция подводит нас в случае с черными дырами: мы вполне можем судить о черной дыре по ее «обложке». Мы можем отбросить эту любопытную гипотезу, поскольку черные дыры сами по себе — причудливые диковинки, где обычная интуиция подводит. Однако этот результат также относится к М-тео- рии, которая может дать нам самое лучшее описание всей Вселенной. В 1997 году Хуан Малдасена из Института передовых исследований в Принстоне вызвал сенсацию, показав, что струнная теория ведет к новому типу голографической вселенной. Он начал с пятимерной «антидеситтеровой вселенной», которая часто фигурирует в струнной теории и теории супергравитации. Вселенная де Ситтера обладает космологической константой с положительным значением, создавая тем самым ускоряющуюся Вселенную. (Мы помним, что в настоящее время наша Вселенная лучше всего представляется на основе вселенной де Ситтера, в ко- торой космологическая константа толкает галактики прочь друг от друта на все увеличивающихся скоростях. В антидеситтеровой все- ленной космологическая константа имеет отрицательное значение, а потому такая вселенная может взорваться.) Малдасена показал, что между этой пятимерной вселенной и ее четырехмерной «со- седкой» существуют отношения дуальности^. Что странно, любые существа, обитающие в этом пятимерном пространстве, были бы в математическом отношении эквивалентны существам, живущим в четырехмерном пространстве. Их просто не различить. Используем грубую аналогию. Представьте рыбок, плавающих в аквариуме. Эти рыбки думают, что их аквариум и есть реальность. Теперь представьте голографическое изображение этих рыбок, про- ектируемое на поверхность того же аквариума. Это изображение содержит точную копию трехмерных рыбок, только плоскую. Любое движение рыбок в аквариуме в точности воспроизводится рыбками на поверхности аквариума. И рыбки, плавающие в аквариуме, и пло- ские рыбки, живущие на его поверхности, считают, что именно они настоящие, а те другие — это всего лишь иллюзия. И одни рыбки, и вторые живы и ведут себя как настоящие. Какое из описаний являет- ся верным? В действительности верны оба, поскольку математически они эквивалентны и неразличимы. Ученых, занимающихся теорией струн, глубоко взволновал тот факт, что производить вычисления для антидеситтеровского пя- тимерного пространства сравнительно легче, в то время, как четы- рехмерные теории поля печально известны тем, что с ними трудно работать. (Даже сегодня, спустя десятилетия напряженной работы, наши мощнейшие компьютеры не могут найти решение для четырех- мерной кварковой модели и вывести массы протонов и нейтронов. Уравнения для самих кварков вывести очень легко, но разрешить их в четырех измерениях и получить свойства протонов и нейтронов оказалось сложнее, чем считалось раньше.) Одной из задач является вычисление масс и свойств протона и нейтрона при помощи этой Причудливой дуальности. Такая голографическая дуальность может также найти практиче- ское применение, такое, как решение проблемы информации в физи- ке черных дыр. В четырех измерениях чрезвычайно трудно доказать, что информация не теряется, когда мы бросаем объекты в черную дыру. Но такое пространство дуально по отношению к пятимерному миру, в котором, возможно, информация никогда не теряется. Ученые надеются, что те проблемы, которые не поддаются решению в четы- рех измерениях (такие, как проблема информации, вычисление масс кварковой модели и так далее), могут разрешиться в пятимерной модели, где математика проще. И всегда возможно, что эта аналогия в действительности — отражение реального мира, а мы существуем как голограммы. Является ли Вселенная компьютерной программой? Как мы уже наблюдали, Джон Уилер считал, что всю физическую реальность можно свести к чистой информации. Бекенштейн про- двигает идею информации в черной дыре еще на один шаг вперед, задавая вопрос, который заводит нас в неизведанные земли: является ли вся Вселенная компьютерной программой? Являемся ли мы всего лишь битами на космическом компакт-диске? Вопрос о том, живем ли мы в компьютерной программе, получил блестящее воплощение на киноэкране в фильме «Матрица», где пришельцы свели всю физическую реальность к компьютерной про- грамме. Миллиарды людей считают, что они живут повседневной жизнью, понятия не имея о том, что все это лишь сгенерированная компьютером фантазия, в то время как их настоящие тела спят в ко- конах, а пришельцы используют их как источники энергии. В этом фильме возможно запускать меньшие компьютерные про- граммы, которые могут создавать искусственные мини-реальности. Если вы хотите стать мастером кун-фу или пилотом вертолета, то вы просто вставляете компакт-диск в компьютер, программа подается в мозг и — presto! Вы мгновенно усваиваете эти сложные навыки. Когда запускается компакт-диск, создается целая новая субреальность. Но это вызывает интригующий вопрос: можно ли поместить на диск всю реальность? Компьютерная мощность, необходимая, чтобы симули- ровать реальность для миллиардов спящих людей, поистине ошелом- ляет. Но все же теоретический вопрос: может ли вся Вселенная быть оцифрована в завершенную компьютерную программу? Этот вопрос восходит к законам механики Ньютона, имея широ- кие перспективы практического применения в торговле и наших жиз- нях. Как известно, Марк Твен говорил: «Все жалуются на погоду, но никто с ней ничего не может поделать». Современная цивилизация не может изменить ход одной-единственной грозы. Физики задались вопросом попроще: можем ли мы предсказывать погоду? Можно ли создать компьютерную программу, которая предскажет ход форми- рования сложных типов погоды на Земле? Это найдет очень широкое практическое применение для всех заинтересованных в погоде -— от фермеров, которые хотят знать, когда сеять и когда собирать урожай, до метеорологов, которые хотят знать ход глобального потепления в этом веке. В принципе, компьютеры могут использовать законы механики Ньютона для вычисления пути молекул, создающих погоду. Это вы- числение может быть произведено с практически любой желаемой точностью. Но на практике компьютерные программы чрезвычайно грубы и ненадежны в прогнозировании погоды более чем на не- сколько дней вперед или около того, в лучшем случае. Для того чтобы составить прогноз погоды, понадобилось бы определить движение каждой молекулы воздуха, а эта задача — нечто, астрономически пре- восходящее возможности самого мощного компьютера, имеющего- ся в нашем распоряжении. Кроме того, существует теория хаоса и «эффект бабочки», где даже малейшая вибрация, созданная крылом бабочки, может вызвать эффект ряби, который в ключевые моменты решительно изменит погоду на расстоянии в сотни миль. Подводя итоги данной ситуации, математики заявляют, что самой маленькой моделью, способной в точности описать погоду, является сама погода. Вместо того чтобы заниматься микроанализом каждой молекулы, лучшее, что мы можем сделать, — это узнать прогноз по- вгды на завтра, а также проследить более масштабные погодные про- цессы и типы (такие, как парниковый эффект). Итак, свести ньютонианский мир к компьютерной программе представляется чрезвычайно сложным, поскольку существует слиш- ком много переменных и слишком много « бабочек». Но в квантовом мире происходят странные вещи. Как мы видели, Бекенштейн показал, что общая сумма информа- ционного содержимого черной дыры пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий. Это чувствуется на уровне интуиции. Многие физики считают, что минимальным возможным расстоянием является длина Планка, 10"33 см. При таком невероятно малом расстоянии пространство-время уже не гладкое, оно стано- вится «пузыристым», похожим на пену, состоящую из крошечных пузырьков. Мы можем разделить всю сферическую поверхность го- ризонта событий на маленькие квадратики, каждый из которых будет размером с длину Планка. Если каждый из этих квадратиков несет в себе один бит информации, то сложив все эти квадратики, мы при- близительно определим полное информационное содержимое дан- ной черной дыры. Видимо, это указывает на то, что каждый из таких «квадратов Планка» является минимальной единицей информации. Если это верно, то тогда, как утверждает Бекенштейн, скорее всего информация, а не теория поля является истинным языком физики. Он говорит так: «Теория поля с ее бесконечностью не может быть окончательным вариантом». Еще со времен Майкла Фарадея в девятнадцатом веке вся физика формулировалась на языке полей, гладких и протяженных, которые измеряют силу магнетизма, электричества, гравитации и так далее в любой точке пространства-времени. Но теория поля основана на протяженных структурах, а не оцифрованных. Поле может иметь любое значение, в то время как оцифрованность уже сводит все к дискретным числам, состоящим из нулей и единиц. Это такое же различие, как между гладким пластом резины из теории Эйнштейна и мелкой проволочной сеткой. Резиновый пласт можно поделить на бесконечное количество точек, в то время как в проволочной сетке есть минимальное расстояние — длина ячейки. Бекенштейн предполагает, что «конечная теория должна зани- маться уже не полями и даже не пространством-временем, а скорее обменом информации между физическими процессами». Если Вселенную можно оцифровать и свести к нулям и единицам, то каково же суммарное информационное содержимое Вселенной? По оценке Бекенштейна, черная дыра диаметром около сантиметра могла бы содержать 1066 бит информации. Раз объект размером в сантиметр может нести в себе так много информации, то, по оценке Бекенштейна, вся видимая Вселенная должна содержать ее намного большее количество — не меньше 10100 бит информации (которую в принципе можно сжать в сферу размером в одну десятую светового года в поперечнике. Такое колоссальное число, единица, за которой следует сто нулей, носит название гугол, или google.). Если такая картина верна, то мы имеем дело со странной ситуа- цией. Она может указывать на то, что в то время, как ныотонианский мир не может быть смоделирован при помощи компьютеров (или моожет быть смоделирован только системой столь же большой, как и он сам), в квантовом мире, возможно, саму Вселенную можно загнать на компакт-диск! Теоретически, если мы можем поместить 10100 бит информации на компакт-диск, то мы можем наблюдать за тем, как любое событие нашей Вселенной разворачивается у нас в гостиной. В принципе, можно было бы организовать или перепрограммиро- ватъ биты информации на этом компакт-диске таким образом, чтобы физическая реальность была иной. В каком-то смысле у человека по- явится богоподобная способность переписать весь сценарий. (Бекенштейн также признает, что все информационное содер- жимое Вселенной может быть и намного большим. В сущности, наименьшим объемом, в котором может содержаться информация Вселенной, может оказаться объем самой Вселенной. Если это верно, то мы возвращаемся к тому, с чего начали: наименьшей си- стемой, которая может служить моделью Вселенной, является сама Вселенная.) Однако струнная теория предлагает несколько иную интерпре- тацию «наименьшего расстояния», а также того, сможем ли мы оцифровать Вселенную и записать ее на диск. М-теория обладает Т-дуальностью. Вспомним о том, что греческий философ Зенон считал, что линию можно разделить на бесконечное количество точек, без всякого ограничения. Сегодня такие квантовые физики, как Бекенштейн, считают, что наименьшим расстоянием может быть длина Планка -— 10~33 см. При таком расстоянии материя пространства-времени становится пенистой и пузыристой. Но М-теория представляет эту картину в новом свете. Предположим, мы возьмем струнную теорию и свернем одно измерение в окружность с радиусом R. Затем возьмем еще одну струнную теорию и свернем одно измерение в окружность с радиусом 1/R. При сравнении этих двух довольно сильно отличающихся друг от друга теорий мы обна- ружим, что они совершенно одинаковы. Теперь предположим, что радиус R чрезвычайно мал, намного меньше длины Планка. Это означает, что физика при расстояниях, меньших, чем длина Планка, идентична физике при расстояниях, превышающих длину Планка. При длине Планка пространство-вре- мя может стать комковатым и пенистым; однако физика при расстоя- ниях, меньших, чем длина Планка, и физика на очень больших рассто- яниях могут быть гладкими и, в сущности, являются идентичными. Эта дуальность была впервые обнаружена в 1984 году моим коллегой Кейджи Киккавой и его учеником Масами Юмасаки из Университета Осаки. Хотя струнная теория наглядно показывает, что существует «наименьшее расстояние», длина Планка, физика не заканчивается внезапно при достижении длины 10~33 см. Новым светом, пролитым М-теорией на этот вопрос, является то, что физика при расстояниях, меньших длины Планка, эквивалентна физике при расстояниях, превышающих длину Планка. Если интерпретация «шиворот-навыворот» верна, то это озна- чает, что даже в пределах «наименьшего расстояния» в струнной теории может существовать целая вселенная. Иными словами, мы все еще можем использовать теорию поля с ее протяженными (не оцифрованными) структурами для описания вселенной даже при расстояниях, намного меньших, чем длина Планка. Так что, возмож- но, вселенная — это вовсе не компьютерная программа. В любом случае, поскольку проблема четко обозначена, все решит время. (Эта Т-дуальность является подтверждением упоминавшегося мною ранее сценария Венециано о событиях до Большого Взрыва. В этой модели черная дыра схлопывается до размеров длины Планка, а затем снова разлетается в Большом Взрыве. Этот «взрыв» не является внезапным событием, он представляет собой плавную Т-дуальность между черной дырой размером меньше длины Планка и расширяющейся вселенной, большей, чем длина Планка.) Конец? Если М-теория окажется верной, если она и в самом деле окажется те- орией всего, то станет ли это концом той физики, что нам известна? Ответом на этот вопрос будет «нет». Разрешите привести при- мep. Даже если нам известны правила игры в шахматы, это не пре- вратит нас автоматически в великого мастера. Подобным образом и знание законов вселенной не означает, что мы великие мастера в вопросах понимания богатого разнообразия ее решений. Лично я считаю, что, быть может, еще преждевременно приме- нять М-теорию к космологии, хотя такой подход и представляет нам поразительную картину того, как могла зародиться вселенная. По моему мнению, основной проблемой является то, что эта модель не нашла своей окончательной формы. М-теория вполне может быть теорией всего, но я считаю, что до ее завершения еще очень далеко. Эта теория развивается в обратном направлении к 1968 году (воз- можно, и далее), и ее окончательные уравнения все еще не найдены. (К примеру, струнную теорию можно сформулировать через струн- ную теорию поля, как показали Киккава и я несколько лет назад. Для М-теории эквивалент таких уравнений до сих пор неизвестен.) Перед М-теорией стоит несколько проблем. Одной из них являет- ся то, что сейчас физики утопают в ^-бранах. Был написан ряд работ, в которых производились попытки каталогизации потрясающего количества мембран, которые могут существовать в различных из- мерениях. Существуют мембраны в форме пончика с одной дыркой, пончика со множеством дырок, перекрещивающиеся мембраны и так далее. Это напоминает известную басню о том, как три слепых мудреца встретили слона. Ощупывая его с разных сторон, все трое выдвигают различные теории. Один мудрец, беря слона за хвост, говорит, что слюн — это одно-брана (струна). Другой мудрец, ощупывая слоно- вье ухо, говорит, что слон — это дву-брана (мембрана). И наконец, третий говорит, что двое первых ошибаются. Ощупывая ноги слона, похожие на стволы деревьев, третий мудрец говорит, что в действи- тельности слон — это три-брана. Поскольку мудрецы слепы, они не могут охватить всю картину, не могут увидеть то, что общая сумма одно-браны, дву-браны и три-браны представляет собой не что иное, как единое животное — слона. Аналогично, с трудом верится, что сотни мембран, обнаружен- ных в М-теории, каким-то образом фундаментальны. В настоящее время мы не обладаем целостным пониманием М-теории. Моя соб- ственная точка зрения, согласно которой я проводил исследования, состоит в том, что эти мембраны и струны представляют собой «конденсацию» пространства. Эйнштейн пытался описать веще- ство в чисто геометрических терминах, как какой-то излом в материи пространства-времени. Если взять, к примеру, простыню, на которой появляется складка, то складка ведет себя так, будто живет своей собственной жизнью. Эйнштейн пытался смоделировать электрон и другие элементарные частицы как некое нарушение геометрии пространства-времени. Хотя в конечном счете он потерпел неуда- чу, эта идея может возродиться на гораздо более высоком уровне в М-теории. Я считаю, что Эйнштейн шел по верному следу. Его идея состояла в том, чтобы сгенерировать субатомные частицы посредством гео- метрии. Вместо того чтобы пытаться найти геометрический аналог точечных частиц, в чем и заключалась стратегия Эйнштейна, можно было бы попытаться пересмотреть ее и попытаться сконструировать геометрический аналог струн и мембран, состоящих из чистого про- странства-времени. Один из способов проследить логику в таком подходе состоит в том, чтобы взглянуть на физику с исторической точки зрения. В про- шлом каждый раз, как физики сталкивались с целым спектром объ- ектов, было понятно, что в основе лежало нечто фундаментальное. Например, когда мы открыли спектральные линии, испускаемые во- дородом, мы в конце концов поняли, что они происходили из атома, из квантовых скачков, совершаемых электроном при его вращении вокруг ядра. Подобным образом, столкнувшись с изобилием силь- ных частиц в 1950-е годы, физики в конце концов поняли, что они являлись не чем иным, как связанными состояниями кварков. А те- перь, столкнувшись с изобилием кварков и других «элементарных» частиц Стандартной модели, большинство физиков считает, что они происходят из вибраций струны. В М-теории мы сталкиваемся с изобилиемр-бран всехтипов и раз- новидностей. Трудно поверить, что они могут быть фундаментальны, поскольку р-бран слишком много, а во-вторых, они неустойчивы и противоречивы. Более простой вариант решения, согласующийся с историческим подходом, состоит в том, чтобы предположить, что М-теория происходит из более простой парадигмы — возможно, из самой геометрии. Для того чтобы разрешить этот фундаментальный вопрос, нам необходимо узнать, какой физический принцип лежит в основе всей геории, а не просто записать ее таинственные математические фор- мулы. Как говорит физик Брайан Грин: В настоящее время ученые, занимающиеся теорией струн, находятся в том же положении, что и Эйнштейн, будь он лишен принципа эквивалентности. Со времен проницательной догадки Венециано в 1968 году теория собиралась учеными по кусоч- кам, открытие за открытием, испытывая один революционный переворот за другим. Но до сих пор отсутствует центральный организующий принцип, который охватил бы все эти открытия и характеристики этой теории в пределах сводной и системати- ческой структуры — такой структуры, которая делает существо- вание каждого отдельного ингредиента абсолютно неизбежным. Открытие этого принципа стало бы поворотным моментом в развитии струнной теории, поскольку оно бы обнаружило вну- тренние механизмы этой теории с беспрецедентной ясностью. Открытие этого основополагающего принципа также разъяснит миллионы решений, на данный момент найденных для струнной теории. Каждое из этих решений представляет собой абсолютно непротиворечивую вселенную. В прошлом считалось, что из целого лeca решений правильным для струнной теории является лишь одно. Сегодня наши представления меняются. До сих пор нельзя выбрать одну вселенную из миллионов сконструированных на сегодняшний день. Все более утверждается мнение о том, что если мы не можем найти уникального, единственного решения струнной теории, то, возможно, причиной тому является факт его отсутствия. Все реше- ния равноценны. Существует Мультивселенная вселенных, каждая из которых отвечает всем законам физики. Это, в свою очередь, при- водит нас к тому, что называется антропным принципом, и к возмож- ности того, что наша вселенная «спроектирована». жүктеу/скачать 2.89 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|