О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Замечательно, что эта сверхрасплывчатость распространяется даже на форму самого пространства-времени. Конечно, релятивистское пространство-время может быть искривлено и изогнуто, но теория струн идет дальше: она говорит, что геометрия пространства-времени не является единственным образом фиксированной – до такой степени, что даже целые измерения пространства могут появляться или исчезать. Что такое геометрия пространства-времени? – спрашиваем мы в рамках теории относительности. Теория струн отвечает, что это зависит от вашей точки зрения. Согласно теории струн, могут существовать различные формы пространства-времени, которые тем не менее описывают физически эквивалентные ситуации. Такие формы называются дуальными, а математические операции, связывающие различные геометрии, известны как дуальные. Самый известный и самый ошеломляющий дуализм – голографический – будет центральной темой главы 7.

К концу 1980-х струнные теоретики были уверены: взаимодействующие одномерные струны дают математически строгое микроскопическое описание гравитации.

Рис. 37. Теория струн описывает гравитоны, индивидуальные кванты гравитации, как крохотные вибрирующие петли. Эта фейнмановская диаграмма изображает взаимодействие двух таких струн-гравитонов. Мы видим, что процесс их рассеяния размазан в пространстве-времени. Эта размытость помогает управлять маломасштабными квантовыми дрожаниями пространства-времени.

Это стало главным предметом гордости теории. До ее появления гравитация и квантовая теория выглядели фундаментально противоречащими друг другу – как будто книга Природы была написана в двух томах, рассказывавших противоречащие друг другу истории. С открытием теории струн физики-теоретики наконец увидели, как эти два основания физики XX века можно гармонично согласовать друг с другом и заставить работать вместе. Больше того, оба эти основания вырастали из объединяющих рамок теории струн. Приложите правила теории струн к большим и массивным объектам – и теория сведется к эйнштейновскому уравнению общей теории относительности. Примените ее к малому числу не слишком энергично вибрирующих струн – и вы получите из тех же правил обычную теорию квантовых полей.

Однако даже сегодня фундаментальная структура теории струн остается до конца неуловимой. Если бы вы стали спрашивать у теоретиков, что такое теория струн, вы, скорее всего, получили бы множество совершенно разных ответов. При отсутствии прямого экспериментального доступа к сверхвысоким энергиям, при которых проявилась бы струноподобная природа материи и гравитации, струнным теоретикам, чтобы продвинуться в теории, в основном приходится восполнять недостаток экспериментальных данных мудрым советом Дирака «искать интересную и красивую математику». Но надо сказать, что, в общем и целом, такое положение вещей струнных теоретиков не очень-то беспокоит. Их сообщество за много лет выработало свою собственную хитроумную систему сдержек и противовесов, которая позволяет им оценивать успех в основном по критериям математической непротиворечивости построений и вытекающей из нее глубины теоретического понимания. И такой подход привел к удивительной научной новизне. К настоящему моменту поле теории струн распространилось далеко за пределы исходных целей: объединения гравитации с квантовой механикой. Появилась целая сеть связей между теорией струн и самыми разнообразными разделами физики и математики – от сверхпроводимости до квантовой теории информации и, о чем я расскажу в главе 7, до квантовой космологии.

Однако в отличие от уравнения Эйнштейна в общей теории относительности или уравнений Шрёдингера и Дирака в квантовой теории единого и общепринятого основного уравнения, воплощающего суть теории струн, пока найти не удалось. И больше того, замечательная объединяющая сила теории струн досталась дорогой ценой, и эта цена оказалась нетривиальной. Чтобы математический аппарат теории струн мог заработать, струны должны двигаться в пространстве девяти измерений (modulo ambiguitatis). Другими словами, чтобы теория струн была математически согласованной, ее правила требуют наличия шести дополнительных пространственных измерений, кроме привычных трех: длины, ширины и высоты[140].