Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории

С открытием теории струн, органично связывающей квантовую теорию с гравитацией, появилась твёрдая почва для исследования этих вопросов. На сегодняшний день они окончательно не решены, но в последние годы былирешены тесно связанные с ними вопросы. В этой главе мы покажем, что в теории струн впервые явно демонстрируется возможность разрыва ткани пространства при определённых физических явлениях (в некоторых отношениях отличных от явлений пространственных червоточин и чёрных дыр).

Волнующая возможность

В 1987 г. Шин-Тун Яу и его студент Ганг Тиан, работающий сейчас в Массачусетском технологическом институте, сделали интересное математическое наблюдение. Используя хорошо известный математический приём, они обнаружили, что одни многообразия Калаби–Яу можно преобразовать в другие путём протыкания их поверхности и сшивания образовавшегося отверстия согласно строго определённой математической процедуре. ^{96}Грубо говоря, они обнаружили, что внутри исходного пространства Калаби–Яу можно выделить двумерную сферу определённого вида (рис. 11.2). (Двумерная сфера аналогична поверхности надувного мяча, который, как и все знакомые нам объекты, трёхмерен. Здесь, однако, мы говорим только о поверхности, не учитывая толщину материала, из которого сделан мяч, а также пространство внутри него. Точки на поверхности мяча определяются двумя числами, «широтой» и «долготой», аналогично тому, как определяются координаты на поверхности Земли. Вот почему поверхностьмяча, как и поверхность упоминавшегося в предыдущих главах Садового шланга, является двумерной.) Далее они рассмотрели стягивание сферы в одну точку; этот процесс показан на рис. 11.3. Как и все последующие рисунки этой главы, он упрощён с целью наглядности изображения наиболее важного «куска» пространства Калаби–Яу: но вы должны помнить, что такие преобразования происходят внутри несколько большего пространства Калаби–Яу, подобного изображённому на рис. 11.2. И, наконец, Тиан и Яу рассмотрели случай, когда в точке сжатия пространство Калаби–Яу слегка надрывается (рис. 11.4 а), раскрывается и перестраивается в другую шарообразную фигуру (рис. 11.4 б), которую затем снова можно раздуть до нормального размера (рис. 11.4 ви 11.4 г).

Рис. 11.2.В выделенной области внутри пространства Калаби–Яу находится сфера

Рис. 11.3.Сфера внутри пространства Калаби–Яу сжимается в точку, приводя к перетяжке в ткани пространства. На этом и следующих рисунках для простоты показана лишь часть всего пространства Калаби–Яу

Рис. 11.4.При разрыве перетяжки пространства Калаби–Яу возникает сфера, которая сглаживает его поверхность. Исходная сфера рис. 11.3 оказывается «перестроенной»

Математики называют последовательность таких действий флоп-перестройкой [17]. Всё происходит так, как будто надувной мяч «выворачивается» наизнанку внутри другого пространства Калаби–Яу. Тиан, Яу и другие математики показали, что при определённых условиях новое многообразие Калаби–Яу (см. рис. 11.4 г), будет топологически отличнымот исходного (рис. 11.3 а). То есть, выражаясь привычным языком, не существует никакого способа деформировать исходное пространство Калаби–Яу, показанное на рис. 11.3 а, в конечное пространство Калаби–Яу, показанное на рис. 11.4 г, не разрывая на некотором промежуточном этапе структуры пространства Калаби–Яу.

С точки зрения математики процедура Яу и Тиана очень интересна, так как позволяет получить новые пространства Калаби–Яу из уже известных. Но действительная сила процедуры проявляется в области физики, где в этой связи возникает волнующий вопрос: если забыть об абстрактном характере данной математической процедуры, может ли в природе иметь место изображённая на рис. 11.3 а–11.4 гпоследовательность превращений? Может ли произойти так, что вопреки предсказаниям теории Эйнштейна структура пространства способна рваться и затем восстанавливатьсяподобно тому, как описано выше?

Зеркальная перспектива