Ноль: биография опасной идеи - [58]

Это и есть причина возникновения теории струн. Она была создана в 1970-х годах, когда физики начали видеть преимущества рассмотрения каждой частицы в виде вибрирующей струны, а не точки. Если обращаться с электронами (и с черными дырами) как с одномерными объектами, как с петлей струны, вместо того чтобы рассматривать их как не имеющие размеров точки, бесконечности в общей теории относительности и в квантовой теории чудесным образом исчезают. Например, трудности с перенормировкой — бесконечные масса и заряд электрона — устраняются. Имеющий нулевые размеры электрон обладает бесконечными массой и зарядом потому, что это сингулярность. По мере приближения к нему измерения взмывают в бесконечность. Однако если электрон — это петля струны, частица больше сингулярностью не является. Это значит, что масса и заряд не устремляются к бесконечности, поскольку вы больше не минуете бесконечное облако частиц, приближаясь к электрону. Более того, когда две частицы сливаются, они больше не встречаются в подобной точке сингулярности; они образуют прекрасную, гладкую, непрерывную поверхность в пространстве-времени (рис. 54, 55).

Рис. 54. Частицы-точки создают сингулярность

Рис. 55. Частицы-струны — нет

Согласно теории струн, различные частицы представляют собой один и тот же тип струны, просто они колеблются по-разному. Все во Вселенной состоит из струн, имеющих размер примерно 10^–33 см. Сравнивать размер струны с размером нейтрона — все равно что сравнивать размер нейтрона с размером нашей Солнечной системы.

С точки зрения существ столь крупных, как мы, петли выглядят подобными точкам, потому что они такие крошечные. Расстояния (и времена) меньшие, чем размер петель, больше значения не имеют, они не несут никакого физического смысла. Благодаря теории струн ноль изгнан из Вселенной. Таких вещей, как нулевое расстояние или нулевое время, не существует. Это разрешает все проблемы бесконечности в квантовой механике.

Изгнание ноля также решает проблемы бесконечности в общей теории относительности. Если вы представляете себе черную дыру как струну, тела больше не проваливаются сквозь разрыв в ткани пространства-времени. Вместо этого петля-частица, приближаясь к петле — черной дыре, растягивается и касается черной дыры. Две петли вибрируют, разрываются и образуют одну петлю — несколько более массивную черную дыру. (Некоторые теоретики полагают, что акт слияния частицы с черной дырой порождает странные частицы, такие как тахионы: частицы с воображаемой массой, перемещающиеся обратно во времени со скоростью большей, чем скорость света. Такие частицы могут быть приемлемыми в некоторых версиях теории струн.)

Устранение ноля из Вселенной может казаться жестким шагом, однако со струнами гораздо легче иметь дело, чем с точками. Устранив ноль, теория струн сглаживает прерывистую, связанную с частицами природу квантовой теории и чинит прорехи, созданные черными дырами в общей теории относительности. Когда эти проблемы разрешаются, две теории перестают быть несовместимыми. Физики начали думать, что теория струн сможет объединить квантовую теорию и теорию относительности и приведет к возникновению квантовой теории гравитации — теории всего, которая объясняла бы каждый феномен во Вселенной. Впрочем, у теории струн существуют некоторые проблемы. Во-первых, чтобы работать, ей нужно десять измерений.

Для большинства людей при четырех измерениях — одно лишнее. Видеть три из них легко: влево-вправо, вперед-назад и вверх-вниз — это три измерения, в которых мы можем двигаться. Четвертое измерение появилось, когда Эйнштейн показал, что время сходно с этими тремя: мы постоянно движемся во времени, как автомобиль, разгоняющийся на шоссе. Согласно теории относительности, так же, как мы можем менять скорость перемещения вдоль шоссе, мы можем менять скорость, с которой перемещаемся сквозь время, — чем быстрее мы движемся в пространстве, тем больше внешние часы обгоняют наши собственные. Чтобы понять Вселенную Эйнштейна, мы должны принять идею о том, что время — четвертое измерение.

Четыре — это разумно, но десять? Мы можем учитывать показания в четырех измерениях, но что делать с остальными шестью? В соответствии с теорией струн они свернуты, как маленькие шарики, слишком миниатюрные, чтобы их увидеть. Когда вы берете лист бумаги, он представляется двумерным. Он имеет длину и ширину, но, по-видимому, не имеет никакой глубины. Тем не менее если вы возьмете лупу и посмотрите на край листа бумаги, вы начнете замечать, что капельку глубины он имеет. Вам нужен инструмент, чтобы это обнаружить, однако третье измерение присутствует, хотя и является слишком маленьким, чтобы его видеть при обычных условиях. То же самое верно и с теми шестью измерениями. В повседневной жизни они слишком малы, чтобы их видеть. Они слишком малы, чтобы мы могли их отследить даже с помощью самого мощного оборудования, которое смогли бы создать в ближайшем будущем.

Что означают эти шесть добавочных измерений? На самом деле ничего. Они не измеряют ничего, к чему мы привычны: длину, ширину, толщину, время. Они просто математические конструкции, заставляющие математические операции в пределах теории струн проходить так, как они должны. Как и воображаемые числа, мы не можем их видеть и ощущать, хотя они необходимы для вычислений. Несмотря на то, что физически концепция представляется странной, ученых интересует предсказательная сила уравнений, а не их понятность, и шесть дополнительных измерений не представляют собой неразрешимой проблемы математически, хотя их выявление таковой оказаться могло бы. (Сегодня кажется, что десять — это мало. За последние несколько лет физики поняли, что многие соперничающие варианты теории струн в определенном смысле — одно и то же. Теперь ученые обнаруживают, что теории двойственны, как Понселе обнаружил взаимную двойственность прямых и точек. Физики полагают, что существует теория-чудовище, лежащая в основе всех конкурирующих теорий: так называемая М-теория, требующая одиннадцать измерений, а не десять.)