Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

В теории струн излучению и поглощению одной частицы другой частицей соответствует разделение струны на две части или соединение двух струн в одну. Например, в теориях частиц сила притяжения, действующая на Землю со стороны Солнца, рассматривается как вызванная излучением частиц-носителей силы – так называемых гравитонов – частицами вещества на Земле. В теории струн этот процесс соответствует Н-образной трубе (теория струн чем-то напоминает сантехнику). Две вертикальные черты буквы «Н» соответствуют частицам на Солнце и на Земле, а соединяющая их горизонтальная черта соответствует гравитону, который движется между ними. История теории струн весьма любопытна. Она была первоначально создана в конце 60-х годов прошлого века в попытке создать теорию сильного взаимодействия. Идея состояла в том, чтобы рассматривать такие частицы, как протон и нейтрон, как колебания струны. Сильное взаимодействие между частицами соответствует пересечению струн, как в паутине. Для того чтобы теория давала наблюдаемую величину для сильного взаимодействия, струны должны напоминать резиновые ленты с натяжением около 10 тонн.

В 1974 году Жоель Шерк из Высшей нормальной школы в Париже и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали статью, в которой показали, что теория струн может описать природу гравитационных сил, но только если натяжение струн составляет около 1000 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с 39 нулями) тонн. На нормальных масштабах предсказания теории струн не отличаются от предсказания общей теории относительности, а различия проявляются на очень малых расстояниях, в 1000 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз меньше сантиметра (сантиметр, разделенный на число, равное единице с 33 нулями). Но работа эта не привлекла особого внимания, потому что как раз в это время большинство физиков потеряли интерес к первоначальной теории сильного взаимодействия, основанной на теории струн, увлекшись теорией, основанной на гипотезе существования кварков и глюонов, которая, похоже, лучше согласовывалась с наблюдениями. Шерк трагически погиб (он страдал от диабета и впал в кому, когда некому было сделать ему инъекцию инсулина), так что Шварц остался практически единственным сторонником теории струн, правда, с предположением о куда большем натяжении.

Диаграммы Фейнмана в теории струн. В теориях струн считается, что дальнодействующие силы вызваны не обменом частицами-носителями взаимодействия, а соединениями трубок

В 1984 году интерес к теории струн внезапно возрос, по-видимому, по двум причинам. Одна из причин состояла в отсутствии существенного прогресса в доказательстве конечности супергравитации или ее способности объяснить наблюдаемые типы частиц. Другой причиной стала статья, опубликованная Джоном Шварцем совместно с Майком Грином из Колледжа Королевы Марии в Лондоне. В этой статье было показано, что теория струн может объяснить существование частиц со встроенной хиральностью [то есть праворукостью или леворукостью], подобной той, что наблюдается у некоторых наблюдаемых частиц. (Поведение большинства частиц не изменится, если изменить схему эксперимента на зеркально отраженную, а поведение таких частиц изменится. Они ведут себя так, как будто являются лево– или праворукими, а не «обоерукими».) Каковы бы ни были причины, множество исследователей вскоре начали работать над развитием теории струн, и вскоре был создан новый ее вариант, который, как казалось, мог объяснить типы наблюдаемых частиц.

В теориях струн тоже возникали бесконечности, но считалось, что в правильном варианте теории они сократятся (правда, пока это не известно наверняка). Но у теории струн более серьезная проблема: похоже, что они непротиворечивы, только если пространство-время имеет десять или двадцать шесть измерений вместо обычных четырех! Конечно, дополнительные измерения пространства-времени – обычное дело в научной фантастике. Действительно, они обеспечивают идеальный способ обхода обычного ограничения общей теории относительности, которая не допускает движения быстрее скорости света, а также движения назад во времени (см. главу 10). Идея состоит в том, чтобы пройти коротким путем через дополнительные измерения. Это можно вообразить следующим образом. Представьте себе, что мы живем в пространстве с двумя измерениями, которое искривлено наподобие поверхности спасательного круга или пончика. Если вы находитесь на внутреннем крае кольца и хотите перебраться в точку противоположной (относительно центра) стороне, то вам придется двигаться по кругу вдоль внутреннего края кольца. Но если вы способны двигаться также и в третьем измерении, то сможете выйти за пределы кольца и пройти в пункт назначения прямо через центр кольца.

Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они реально существуют? Почему мы воспринимаем только три пространственных измерения и время? Предполагается, что все дело в том, что остальные измерения отличаются от привычных нам. Они свернуты в пространстве до очень малого размера, что-то вроде 3 миллионно-миллионно-миллионно-миллионных долей сантиметра. Этот размер стол мал, что мы просто не замечаем его: мы воспринимаем только одно временное и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. Чтобы понять, как это работает, представьте себе поверхность соломинки. Если посмотреть на нее вблизи, то видно, что поверхность двумерна. То есть положение точки на соломинке задается двумя числами – расстоянием вдоль соломинки и расстоянием вдоль круглого измерения. Но ее круговое измерение намного меньше измерения вдоль длины соломинки. Поэтому если взглянуть на соломинку издалека, то ее толщина не видна и соломинка выглядит одномерной. То есть выглядит все так, что для задания положения точки достаточно лишь указать расстояние вдоль соломинки. Точно так же теория струн утверждает, что на очень малых масштабах пространство-время десятимерно и сильно искривлено, а на больших масштабах эта кривизна и дополнительные измерения незаметны. Если эта картина правильная, то она не сулит ничего хорошего путешественникам во времени: дополнительные измерения слишком малы, чтобы через них мог пройти космический корабль. Правда, с этой теорией трудности возникают и у ученых: непонятно, почему некоторые измерения свернуты в мельчайший шар, а некоторые – нет?

По-видимому, в очень ранней Вселенной все измерения были очень сильно искривлены. Почему же одно временное и три пространственных измерения выпрямились, а остальные остались сильно свернутыми? Один из возможных ответов содержит в себе так называемый антропный принцип, который можно сформулировать так: «Мы наблюдаем Вселенную такой, потому что мы существуем». Есть два варианта антропного принципа – сильный и слабый. Слабый антропный принцип гласит, что во Вселенной, которая достаточно протяженна или бесконечна в пространстве и/или во времени, необходимые условия для возникновения разумной жизни соблюдаются только в некоторых ограниченных во времени и пространстве областях. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться тому, что в прилегающих окрестностях Вселенной соблюдаются условия, необходимые для