Уравнение Бога. В поисках теории всего - [41]
Теория струн может завершить эту картину. Суперсимметрия способна превращать мрамор в дерево и наоборот. Мрамор и дерево в ней – две стороны одной медали. В этой картине мрамор представлен бозонами, а дерево – фермионами. Хотя экспериментальных свидетельств в пользу существования суперсимметрии в природе у нас нет, она настолько элегантна и красива, что захватила воображение физического сообщества.
Стивен Вайнберг однажды сказал: «Хотя симметрии от нас скрыты, мы можем чувствовать, что они неявно присутствуют в природе, управляя всем вокруг. Это самая захватывающая идея из всех, какие я знаю: природа намного проще, чем она выглядит. Ничто не внушает мне большей надежды на то, что наше поколение реально держит в своих руках ключ от Вселенной, что еще при нашей жизни мы сможем сказать, почему все видимое в этой огромной Вселенной с галактиками и частицами логически неизбежно»[42].
Если обобщить сказанное, то мы теперь видим, что симметрия может быть ключом к объединению всех законов Вселенной:
● Симметрия создает порядок из хаоса. Из хаоса химических элементов и элементарных частиц периодическая система Менделеева и Стандартная модель способны создать порядок, выстроив их аккуратно и симметрично.
● Симметрия помогает заполнить пробелы. Она позволяет выделять прорехи в теориях и, таким образом, предсказывать существование новых типов элементов и элементарных частиц.
● Симметрия объединяет совершенно неожиданные и, казалось бы, никак не связанные друг с другом объекты. Она находит связи между пространством и временем, материей и энергией, электричеством и магнетизмом, фермионами и бозонами.
● Симметрия раскрывает неожиданные явления. Она предсказала существование таких новых явлений, как антивещество, спин и кварки.
● Симметрия устраняет нежелательные следствия, способные разрушить теорию. Квантовые поправки часто характеризуются катастрофическими расходимостями и аномалиями, которые можно устранить при помощи симметрии.
● Симметрия изменяет первоначальную классическую теорию. Квантовые поправки к теории струн настолько строги, что на самом деле меняют первоначальную теорию, фиксируя размерность пространства-времени.
Рис. 12. Считается, что в начале времен существовало одно-единственное супервзаимодействие, симметрия которого включала в себя все частицы Вселенной. Но ситуация была нестабильна, и симметрия начала нарушаться. Первой отделилась гравитация. Затем за ней последовали сильное и слабое ядерные взаимодействия, оставив лишь электромагнитное взаимодействие. Так что Вселенная сегодня кажется разбитой на части, а все взаимодействия сильно отличаются друг от друга. Задача физиков – заново собрать кусочки в единое взаимодействие
Теория суперструн обладает всеми необходимыми свойствами. Ее симметрия – это суперсимметрия (симметрия бозонов и фермионов). Суперсимметрия, в свою очередь, – это самая всеобъемлющая симметрия, когда-либо обнаруженная в физике и способная объединить все известные частицы Вселенной.
Нам еще предстоит сделать завершающий шаг в создании теории струн – найти ее фундаментальные физические принципы. Дело в том, что мы до сих пор не понимаем, как вывести всю теорию из одного-единственного уравнения. В 1995 г. теория струн пережила очередную метаморфозу, и родилась так называемая M-теория. Проблема первоначальной теории струн заключалась в существовании пяти вариантов квантовой теории гравитации, каждая из которых была конечна и хорошо определена. Все пять струнных теорий выглядели очень похоже, за исключением того, что спины в них были организованы немного по-разному. Возникал вопрос: почему же их пять? Ведь, по мнению большинства физиков, Вселенная должна быть уникальной.
Физик Эдвард Виттен обнаружил, что на самом деле существует скрытая одиннадцатимерная теория, получившая название M-теории, в основе которой лежат мембраны (такие, как поверхности сфер и бубликов), а не просто струны. Он объяснял существование пяти струнных теорий тем, что превратить одиннадцатимерную мембрану в десятимерную струну можно пятью способами.
Иными словами, все пять вариантов теории струн представляли собой различные математические представления одной и той же M-теории. (Так что теория струн и M-теория на самом деле одна и та же теория, за исключением того, что теория струн есть сведение одиннадцатимерной M-теории к десяти измерениям.) Но как может одна одиннадцатимерная теория породить пять десятимерных теорий?
Представьте себе надувной пляжный мяч. Если выпустить из него воздух, мяч сдуется и станет напоминать сосиску. Если удалить из него остатки воздуха, сосиска превратится в струну. Следовательно, на самом деле струна – это замаскированная мембрана, из которой выпустили воздух.
Если взять для начала одиннадцатимерный пляжный мяч, то можно математически показать, что существуют пять способов сдуть его, превратив в десятимерную струну.
Или вспомните притчу о слепцах, впервые встретивших на своем пути слона. Один из них, ощупав ухо животного, заявил, что слон плоский и двумерный, как веер. Другой, ощупав хвост, пришел к выводу, что слон подобен веревке или одномерной струне. Третий, исследовавший ногу, заключил, что слон представляет собой трехмерный барабан или цилиндр. Но на самом деле, если отойти в сторону и подняться в третье измерение, то можно увидеть слона как трехмерное животное. Точно так же пять разных струнных теорий подобны уху, хвосту и ноге, но нам еще только предстоит увидеть слона (M-теорию) целиком.
