О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Как я уже упоминал, расширение Великого объединения с целью включить в него гравитацию ставит проблемы совершенно другого масштаба. Начнем с того, что общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах жесткого классического поля – ткани пространства-времени, – в то время как в Стандартной модели и ТВО речь идет о вибрирующих квантовых полях. Следовательно, объединенная теория, видимо, потребует квантового описания гравитации и пространства-времени. Евклидов подход Стивена к квантовой гравитации обеспечивает, по крайней мере приближенно, выполнение именно этого условия, но геометрии мнимого времени, на которых этот подход основан, обладают только некоторыми общими свойствами квантового мира гравитации. Они почти не освещают природу микроскопических квантов, скрывающихся за пространством-временем. И даже более того – оказалось, что применения квантовых полей недостаточно для того, чтобы прийти к полномасштабному квантовому описанию гравитации. Дело в том, что квантовые флюктуации поля пространства-времени неограниченно усиливаются на все более малых масштабах. Микроскопические флюктуации пространства-времени создают самоусиливающийся цикл еще более яростных вибраций, которые разрушают его собственную основную структуру. И в отличие от других полей, которые колеблются на фиксированном фоне пространства и времени, гравитация есть пространство-время. Это и есть главная трудность объединения гравитации с квантовой теорией.

И тут появляется теория струн. В середине 1980-х теоретики нашли восхитительный новый подход к формулировке квантовой теории гравитации: они заменили точечные частицы струнами, которые стали рассматриваться как основные составляющие физической реальности. Центральное положение теории струн заключается в том, что, если бы мы могли препарировать материю на все более малых масштабах, намного меньших, чем самые малые, которых мы можем достичь на крупнейших ускорителях частиц, то мы бы обнаружили глубоко скрытые во всех частицах крохотные вибрирующие нити энергии – их-то физики и назвали струнами.

Струны для теории струн – то же, чем атомы были для древних греков: неделимые и невидимые. Однако, в отличие от греческой концепции атомов, все струны в теории струн одинаковы. Внутри всех видов частиц скрыты струны одного и того же вида. Такая уравниловка, конечно, очень хорошо укладывается в философию объединения. Но тут же встает вопрос, каким образом из струн одного и того же вида могут состоять частицы с совершенно разными свойствами, начиная с массы и спина и кончая зарядом или цветом. Согласно теории струн, ответ заключается в том, что струна может колебаться различными способами. Струнная теория утверждает, что электроны и кварки, и даже силовые частицы, такие как фотоны, возникают из различных колебательных конфигураций струн единого вида. И так же, как различные колебания струны виолончели производят звуки разной высоты, теория струн предполагает, что некая универсальная нитевидная сущность, вибрируя множеством различных способов, производит весь зоопарк различных видов частиц.

Принципиально важным было то, что, согласно идеям основателей теории струн, в одном из своих колебательных режимов струна имеет в точности те свойства, которыми должен обладать квант гравитации – гравитон. Более того, размазывая точки в протяженные изгибающиеся волокна, теория струн избавляется от проблемы неограниченного роста квантовых дрожаний пространства-времени на сверхмалых масштабах. И действительно, как видно из фейнмановской диаграммы на рис. 37, в теории струн таких масштабов просто нет. Диаграмма изображает рассеяние двух гравитационных квантов в рамках теории струн. Мы видим, что невозможно указать точного положения, в котором взаимодействуют два вибрирующих гравитона. Как будто неразложимые на составляющие струноподобные «строительные кирпичики» снабжают микромир минимальным масштабом длины, ниже которого пространство становится внутренне размытым. Этот дополнительный слой неопределенности играет ключевую роль в том, как теория струн не позволяет микроскопическим вибрациям пространства-времени выйти из-под контроля.

Рис. 36. Согласно струнной теории, микроскопические строительные кирпичики вещества – не частицы, а крохотные вибрирующие нити энергии: струны.