Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр - [61]

Два отрезка струны могут соединиться, образуя единую струну; открытые струны могут соединяться своими концами (рис. 11.3), а в случае замкнутых струн схема напоминает соединяющиеся штанины брюк (рис. 11.4). Аналогичным образом отрезок струны может разделиться на два. В теориях струн то, что раньше принимали за различные точечные частицы, рассматривается как волны на струне, подобные колебаниям леера воздушного змея. Поглощению одной частицы другой частицей или излучению их соответствует соединение двух струн в одну или разделение струны на две части. Например, в теориях частиц считается, что сила притяжения, действующая на Землю со стороны Солнца, вызвана излучением гравитонов частицами вещества на Солнце и их поглощением частицами вещества на Земле (рис. 11.5). В теории струн этот процесс соответствует Н-образной трубе (рис. 11.6) (теория струн чем-то похожа на ремесло сантехника). 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 впервые была озвучена в конце 60-х годов прошлого века и стала плодом попыток создать теорию сильного взаимодействия. Авторы теории предлагали рассматривать такие частицы, как протон и нейтрон, как колебания струны. Сильное взаимодействие между частицами иллюстрирует переплетение струн, как в паутине. Чтобы теория давала наблюдаемую величину для сильного взаимодействия, струны должны напоминать резиновые ленты, которые удерживают груз в 10 тонн.

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Рис. 11.3

Рис. 11.4

В 1974 году Жоэль Шерк из Высшей нормальной школы в Париже и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института опубликовали статью, в которой показали, что теория струн способна описать природу гравитационных сил, но при куда большем натяжении струн – около тысячи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью девятью нулями) тонн. На нормальных масштабах предсказания теории струн не отличаются от предсказаний общей теории относительности, а различия проявляются на очень малых расстояниях, в тысячу миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз меньше сантиметра (сантиметр, деленный на число, равное единице с тридцатью тремя нулями). Но работа эта не привлекла особого внимания: как раз в это время большинство физиков потеряли интерес к первоначальной струнной теории сильного взаимодействия, увлекшись построениями, основанными на гипотезе о существовании 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, он исходил из куда большего их натяжения.

В 1984 году интерес к теории струн оживился, по-видимому, по двум причинам. Во-первых, не наблюдалось сколько-нибудь значительного прогресса в исследованиях, призванных доказать конечность супергравитации или ее способность объяснить наблюдаемые типы частиц. Во-вторых, Джон Шварц совместно с Майком Грином из Колледжа королевы Марии в Лондоне опубликовали статью, где показали, что теория струн может объяснить существование частиц со встроенной хиральностью (то есть «праворукостью», или «леворукостью»), подобной той, что присуща некоторым наблюдаемым частицам. Так или иначе, множество исследователей стали развивать теорию струн, и вскоре был создан новый ее вариант, в основе которого лежит предположение о гетеротических струнах. Он, как казалось, мог объяснить типы частиц, которые мы наблюдаем.

Рис. 11.5

Рис. 11.6

В теориях струн тоже возникают бесконечности, но считается, что в версии теории, сходной с той, что рассматривает гетеротические струны, все они сократятся (правда, пока это не известно наверняка). Но у теорий струн есть более серьезная проблема: похоже, что они непротиворечивы, только если пространство-время имеет или десять, или двадцать шесть измерений вместо обычных четырех! Конечно, дополнительные измерения пространства-времени – обычное дело в научной фантастике – это идеальный способ обойти обычное ограничение общей теории относительности, которая не допускает движения со скоростью, превышающей световую, а также движения назад во времени (см. десятую главу). 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 тора (рис. 11.7). Если вы находитесь на одной стороне внутреннего края кольца и хотите перебраться в точку на другой стороне, вам придется двигаться по кругу вдоль внутреннего края. 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.

Рис. 11.7

Почему мы не замечаем эти дополнительные измерения, если они реально существуют? Почему мы воспринимаем только три пространственных измерения и время? Согласно предположениям, все дело в том, что остальные измерения свернуты в пространстве до очень малого размера – примерно трех миллионно-миллионно-миллионно-миллионных долей сантиметра. Это так мало, что мы просто не различаем их: мы воспринимаем только одно временно́е и три пространственных измерения, в которых пространство-время выглядит довольно плоским. Оно похоже на поверхность соломинки. Если посмотреть на нее вблизи, то видно, что поверхность двумерна (положение точки на соломинке задается двумя числами – расстоянием вдоль соломинки и расстоянием вдоль кругового измерения). Но если взглянуть на соломинку издалека, то ее толщина незаметна и соломинка выглядит одномерной (положение точки на ней задается всего лишь расстоянием вдоль соломинки). Точно так же дело обстоит и с пространством-временем: на очень малых масштабах оно десятимерно и сильно искривлено, а на больших масштабах эта кривизна и дополнительные измерения незаметны. Если эта картина верна, то она не сулит ничего хорошего путешественниками во времени: дополнительные измерения слишком малы, чтобы через них мог пройти космический корабль. Правда, возникает еще одна большая проблема: непонятно, почему некоторые измерения свернуты в мельчайший шар, а некоторые – нет. По-видимому, в ранней Вселенной все измерения были сильно искривлены. Но почему же одно временное и три пространственных измерения выпрямились, а остальные остались плотно скрученными?