Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - [68]

Однако теория струн позволяет сделать и еще кое-какие удивительные предсказания. Струны способны непротиворечиво двигаться только в десятимерном пространстве (одно измерение на время и девять – на пространство). Более того, теория струн – единственная теория, которая устанавливает размерность своего собственного пространства-времени. Подобно теории Калуцы – Клейна 1921 г., она способна объединить гравитацию с электромагнетизмом, предположив, что высшие измерения могут колебаться, порождая силы, способные распространяться по трем измерениям, как свет. (Если добавить одиннадцатое измерение, то в теории струн возможны мембраны, колеблющиеся в гиперпространстве. Такой вариант называется М-теорией; он вбирает в себя теорию струн и позволяет взглянуть на нее по-новому, с позиции одиннадцатого измерения.)

Что подумал бы Эйнштейн, будь он сегодня жив, о теории суперструн? Физик Дэвид Гросс сказал: «Эйнштейн был бы доволен по крайней мере целью, если не реализацией… Ему понравилось бы, что в основе всего этого лежит базовый геометрический принцип – который мы, к несчастью, как следует не понимаем». Существо эйнштейновой единой теории поля, как мы видели, состояло в том, чтобы получить вещество (дерево) из геометрии (мрамора). Гросс сказал об этом так: «Чтобы построить само вещество из геометрии – а именно этим в определенном смысле занимается теория струн… теория гравитации, в которой частицы вещества, как и другие силы природы, возникают аналогично тому, как гравитация возникает из геометрии». Полезно вернуться к ранней работе Эйнштейна по единой теории поля и взглянуть на нее с позиции теории струн. Ключ к гению Эйнштейна в том, что он умел вычленить ключевые симметрии Вселенной, объединяющие законы природы. Симметрия, объединяющая пространство и время, – это преобразование Лоренца, или повороты в четырехмерном пространстве. За гравитацией стоит другая симметрия – общая ковариантность, или произвольные координатные преобразования пространства-времени.

Однако третий подход Эйнштейна к созданию великой объединяющей теории оказался неудачным – в основном потому, что ему недоставало симметрии, которая унифицировала бы гравитацию и свет или объединила мрамор (геометрию) и дерево (вещество). Конечно, он остро чувствовал отсутствие фундаментального принципа, который провел бы его сквозь дебри тензорного исчисления. Он даже написал однажды: «Уверен, чтобы добиться реального прогресса, необходимо выведать у природы еще один какой-нибудь общий принцип».

Именно это обеспечивает всем желающим суперструна. Симметрия суперструны называется «суперсимметрией»; это необычная и красивая симметрия, объединяющая материю и взаимодействия. Как уже упоминалось, у элементарных частиц есть свойство, именуемое спином; они ведут себя как вращающиеся волчки. У электрона, протона, нейтрона и кварков, из которых состоит вещество Вселенной, спин равен 1/2; все эти частицы называют фермионами в честь Энрико Ферми, исследовавшего в свое время свойства частиц с полуцелым спином. Кванты взаимодействий, однако, основаны на электромагнетизме (их спин равен 1) и гравитации (спин равен 2). Обратите внимание, что все они имеют целый спин и называются бозонами (в честь работ Бозе и Эйнштейна). Главное здесь то, что в общем и целом вещество (дерево) строится из фермионов с полуцелым спином, тогда как взаимодействия (мрамор) строятся из бозонов с целым спином. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны. Очень существенно, что суперсимметрия разрешает обобщение дерева и мрамора, о котором мечтал Эйнштейн. Фактически суперсимметрия делает возможным новый тип геометрии, удививший даже математиков; это так называемое суперпространство делает возможным «супермрамор». При этом новом подходе получается, что мы должны обобщить старые измерения пространства и времени, включить в них новые фермионные измерения, которые затем позволят нам создать «супервзаимодействие», из которого в момент рождения Вселенной и появились все взаимодействия.

Таким образом, некоторые физики считают, что следует обобщить принцип общей ковариантности Эйнштейна, чтобы он звучал так: уравнения физики должны быть суперковариантны (то есть сохранять свою форму после суперковариантного преобразования).

Теория суперструн позволяет нам заново, в новом свете увидеть старую работу Эйнштейна по единой теории поля. Когда мы начинаем анализировать решения уравнений суперструн, мы сталкиваемся со множеством странных пространств, с которыми Эйнштейн работал еще в 1920-е и 1930-е гг. Как мы видели ранее, он рассматривал обобщенные римановы пространства, которые сегодня можно соотнести с некоторыми пространствами из теории струн. Эйнштейн перебирал эти странные пространства одно за другим с мучительным упорством (включая комплексные пространства, пространства с «кручением», «свернутые пространства», «обратно-симметричные пространства» и т. п.), но так и не смог найти верную дорогу, потому что у него не было путеводного физического принципа или картины, которые могли бы помочь ему выпутаться из математической паутины. Именно здесь на сцену выходит суперсимметрия – она выступает в роли организующего принципа, позволяющего нам рассматривать многие из этих пространств с иной точки зрения.