Квантовые миры Стивена Хокинга

Согласно М-теории, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей, и внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны, обладающие р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной. Как же происходит переход от суперструн к мембранам?

На лекциях Хокинга это выглядело как настоящее квантовое волшебство: по мановению лазерной указки, скользящей по схемам, многомерная суперструна сворачивается в замкнутый контур и превращается в… многомерный тор!

Разумеется, для постороннего зрителя подобные топологические эволюции пространства-времени выглядят совершенно фантастично. Выходит, что прав профессор Хокинг, и в квантовых глубинах Мироздания физическая реальность скачкообразно непредсказуема и переменчива, к тому же сама граница между непрерывным и дискретным размыта. По его словам, там, в невообразимой глубине материи непрерывно бушует океан энергии, и человек когда-нибудь научится управлять этим неисчерпаемым ресурсом…

Образ вибрирующей струны или мембраны как геометризованного базиса всех элементарных частиц в общем-то довольно ясен, если, конечно, опустить сверхсложный математический аппарат. Вообще же говоря, на момент ухода выдающегося теоретика, физики еще далеко не полностью построили из струн и бран здание М-теории.

Подобным образом можно представить и браны более высоких размерностей, причем колебания струн здесь заменяются вибрациями мембран. Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Эта единственность очень привлекательна, так что работа над построением полной квантовой М-теории продолжается.

Вскоре после всесторонней разработки концепции многомерных квантовых мембран научные и популярные журналы заполнили прогнозы о близости окончательной победы в борьбе с тайнами Мироздания. Однако вместо этого, при очередных попытках получить всеобщие закономерности нашего Мира, разразился очередной грандиозный кризис теории струн. Суть кризиса в теории суперструн состоит, вкратце, в следующем. М-теория описывает «жизнь» протяженных объектов в 11-мерном пространстве-времени при очень высокой температуре. 11-мерное пространство — это не прихоть, а единственный способ удовлетворить сразу всем налагаемым условиям. Если мы хотим получить из этой теории свойства нашего мира, то мы должны постепенно понижать температуру и смотреть, что происходит с этим 11-мерным пространством и летающими в нем объектами.

Получается, что 7 из 11 измерений становятся неустойчивыми и спонтанно сворачиваются в сверхмикроскопические замкнутые структуры, оставляя макроскопическими только три пространственных измерения плюс время — четырехмерное пространственно-временное многообразие нашей реальности. Детали этого механизма еще не изучены, и на сегодняшний день кажется, что в теории суперструн возможно огромное число разных конфигураций свернутого пространства. Каждая такая конфигурация приведет к «конечной вселенной» со своими характеристиками: силой взаимодействий, массами частиц и т. д. Всю эту совокупность конечных вселенных, которую можно получить из одной-единственной теории путем разных «сверток», физики назвали ландшафтом теории.

Теория струн началась со сверхмалых — «планковских» — масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10^–33 см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в некие сверхмалые образования с размерами не более планковских. Но, как писал в одной из последних своих космологических работ Хокинг, некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными. Мы не воспринимаем эти колоссальные образования, потому что наш Мир прикован к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — это детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Примечательно, что подобные умозаключения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты на строящихся сверхмощных ускорителях элементарных частиц могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По одной из версий Хокинга, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных струн в обычных частицах.