Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

В какой-то момент в 1950-е гг. физики отчаялись разобраться в элементарных частицах, поскольку новые частицы тогда открывали едва ли не каждый день. Роберт Оппенгеймер в раздражении однажды сказал: «Нобелевскую премию по физике следовало бы дать тому физику, кто не откроет в этом году ни одной новой частицы». Элементарным частицам надавали такое множество диковинных греческих названий, что Энрико Ферми сказал: «Если бы я знал, что будет так много частиц с греческими названиями, я бы стал ботаником, а не физиком». Но в теории струн, если бы можно было взять сверхмощный микроскоп и заглянуть непосредственно в электрон, выяснилось бы, что это не точечная частица, а колеблющаяся струна. Когда суперструна колеблется в другом режиме, или на другой ноте, она превращается в другую элементарную частицу, к примеру, в протон или в нейтрино. В этой картине элементарные частицы, которые мы видим в природе, можно рассматривать как самую нижнюю октаву суперструны. Таким образом, лавина элементарных частиц, открытых за несколько десятилетий, представляют собой просто ноты на этой суперструне. Законы химии, которые кажутся очень путаными и произвольными, представляют собой мелодии, сыгранные на суперструнах. Сама Вселенная – это симфония струн, а законы физики – не что иное, как гармонии суперструн.

Теория суперструн может также вместить в себя все наработки Эйнштейна по теории относительности. Движение струны в пространстве-времени вынуждает окружающее пространство искривляться, в точности как предсказывал в 1915 г. Эйнштейн. Более того, теория суперструн окажется противоречивой, если струна не будет двигаться в пространстве-времени в соответствии с общей теорией относительности. Как сказал физик Эдвард Виттен, даже если бы Эйнштейн вообще не открыл общую теорию относительности, ее вполне можно было бы открыть иначе, через теорию струн. Виттен заметил: «Теория струн чрезвычайно привлекательна, потому что от гравитации в ней никуда не денешься. Все известные непротиворечивые теории струн включают в себя гравитацию, так что если в квантовой теории поля, как мы ее знаем на данный момент, гравитация невозможна, то в теории струн она обязательна».

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».