Теории суперструн впервые привлекли внимание в 1980-х гг. (хотя идеи появились на несколько десятков лет раньше), и с тех пор они поглотили усилия целой когорты великолепных знатоков математической физики. Первоначальный радостный энтузиазм сменился периодом разочарования из-за приводящей в замешательство сложности теории. Но с 1995 г. у суперструн началась «вторая жизнь». Ученые поняли, что дополнительные измерения могут «упаковываться» всего в пять различных классов шестимерного пространства. На более глубоком математическом уровне они могут быть разделены, но связанные структуры встроены в 11-мерное пространство. Более того, понятие струн (одномерных сущностей) может быть расширено до двумерных поверхностей (мембран). На самом деле в 10-мерном пространстве могут быть поверхности с бо́льшим количеством измерений: другими словами, если двумерную поверхность назвать 2-браной
[44], может существовать и 3-брана, и т. д. Тем не менее по-прежнему существует непреодолимая пропасть между замысловатой сложностью 10-мерной теории струн и любым явлением, которое мы можем наблюдать или измерить.
Ранее уже случалось, что теории принимали всерьез, даже если у них не было прямой эмпирической поддержки, особенно в тех случаях, когда казалось, что они имеют неповторимую элегантность и правильность, – отдающаяся эхом доля истины, которая заставляет соглашаться. Например, в 1920-х гг. многие физики приняли ОТО Эйнштейна из-за ее великолепной содержательной концепции. Сейчас она подтверждена точными наблюдениями, но в начале своего существования доказательства были очень скудными. Самого Эйнштейна больше впечатляла элегантность его теории, а не какие-либо эксперименты. Подобным же образом в наши дни Эдвард Виттен, которого сейчас признают интеллектуальным лидером в области математической физики, сказал, что «хорошие неправильные идеи чрезвычайно редки, а хороших неправильных идей, которые могли хотя бы соперничать в величии с теорией струн, вообще никто не видел».
Тем не менее есть особые причины, не связанные с красотой, для того, чтобы испытывать оптимизм по поводу суперструн. Во-первых, это ОТО Эйнштейна, в которой тяготение понимается как искривление в четырехмерном пространстве-времени, а эта теория неизбежно встраивается в теорию суперструн. Долго являвшийся предметом поиска синтез между тяготением и квантовыми принципами, таким образом, должен появиться естественным путем.
Также эта теория уже предложила более глубокое понимание черных дыр. Эта история восходит к началу 1970-х гг. Якоб Бекенштейн, израильский физик, работавший в Принстонском университете, обдумывал последствия недавнего для того времени открытия, что черные дыры являются унифицированными объектами (об этом было упомянуто в главе 3). Это подразумевало, что они теряют любую память о том, как были сформированы. Казалось, существует огромное количество способов, которыми черные дыры могут добывать себе строительный материал – в них могут провалиться осколки, планеты, газ и даже космические корабли, – но какие-либо следы этих историй выглядели полностью стертыми. Бекенштейн заметил, что это напоминает рост энтропии, который происходит при смешении двух газов: множество возможных первоначальных состояний ведут к неразличимой структуре в конце. Потеря информации соответствует увеличению энтропии, и Бекенштейн пришел к выводу о том, что черная дыра может иметь энтропию, которая является мерой количества всех различных путей, которыми она могла быть образована. Если Бекенштейн был прав, то черные дыры должны также иметь температуру, и его идея была поставлена на более прочное основание, когда Хокинг на самом деле вычислил, что черные дыры не являются абсолютно черными, а испускают излучение. (Это излучение является слишком слабым, чтобы его можно было измерить, но может быть важным, если окажется, что мини-дыры размером с атом, описанные в главе 3, действительно существуют.)
Теории суперструн, которые описывают структуру пространства в планковских масштабах, позволили сделать еще одно открытие. Американский физик-теоретик Эндрю Строминджер в 1996 г. доказал, что черные дыры (пусть даже одного определенного вида) могут быть представлены как собранные из элементов масштаба струн, а заодно показал, как рассчитать количество «перестроений» этих крошечных строительных кирпичиков, которые ведут к той же самой дыре. Это число точно согласуется со значением энтропии, вычисленным Бекенштейном и Хокингом. Это, конечно, не эмпирическое доказательство, но оно повышает нашу уверенность в теории, поскольку расчеты основаны на более традиционной физике и она углубляет наше проникновение в таинственные свойства черных дыр.
Еще одна надежда – хотя в настоящее время она более противоречива и менее твердо обоснована – это надежда на то, что суперструны могут помочь проникнуть в тайны квантов. Ричард Фейнман сказал, что «никто по-настоящему не понимает квантовую механику». Она работает как по мановению волшебной палочки, большинство ученых применяют ее почти не задумываясь, но у нее есть свои «призрачные» стороны, о которые многие мыслители, начиная с самого Эйнштейна, «ломают зубы». Трудно поверить, что мы уже достигли оптимального ее понимания.
Даже если мы не можем непосредственно исследовать планковские величины, некоторые черты физического мира, который мы можем наблюдать, – например, особая ситуация, заключающаяся в том, что в микромире присутствуют три основные силы, особые виды частиц и т. д., – могут «выплыть» из теории суперструн, как, по всей видимости, и теория тяготения Эйнштейна. Если это случится, мы сможем быть полностью уверены во всей математической конструкции. Теория суперструн, как мы обсудим в следующей главе, может предложить всеобъемлющую теорию мультивселенной.
ГЛАВА 11
СОВПАДЕНИЕ, ПРОВИДЕНИЕ ИЛИ МУЛЬТИВСЕЛЕННАЯ?
В религии я склоняюсь к деизму, однако доказательство его считаю в основном проблемой астрофизиков. Существование космологического Бога, который создал Вселенную (как это заявляется в деизме), возможно и в конце концов может быть обосновано в форме таких материальных доказательств, которые мы пока не можем даже вообразить.
Э. О. Уилсон. Непротиворечивость
ЧТО ОЗНАЧАЕТ ТОЧНАЯ НАСТРОЙКА?
Замысловатая структура нашей Вселенной выросла из простых законов, которые, однако, совершенно не гарантируют сложные последствия; мы видели, что различные варианты наших шести чисел привели бы к скучным и стерильным вселенным. Подобным же образом математические формулы могут приводить к очень ярким результатам, но чаще всего этого не происходит. Например, множество Мандельброта со всей его бесконечной глубиной витиеватой структуры выводится из простой формулы (см. рис. 11.1), но другие формулы, на первый взгляд похожие, создают очень скучные графики.
