Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вторая суперструнная революция

Имеется неудобная деталь относительно теории струн, которую мне пора раскрыть, но которую читатели моей предыдущей книги, Элегантной вселенной, могут вспомнить. В течение последних трех десятилетий были разработаны не одна, а целых пять отдельных версий теории струн. Поскольку их названия несущественны, назовем их теориями типа I, типа IIА, типа IIВ, О- гетеротической и Е-гетеротической. Все они разделяют существенные особенности, введенные в последней главе, – все основные составляющие переплетены с энергией колебаний струн – и, как показали расчеты в 1970е и 1980е годы, каждая теория требует шести дополнительных измерений; но, когда они анализируются детально, появляются существенные отличия. Например, теория типа I включает колеблющиеся струнные петли, обсуждавшиеся в последней главе, так называемые замкнутые струны, но, в отличие от других теорий струн, она также содержит открытые струны, колеблющиеся обрывки струн, которые имеют два свободных конца. Более того, расчеты показывают, что список мод колебаний струн и способ, которым каждая колебательная мода взаимодействует и влияет на другие, отличаются от одной формулировки к другой.

Самые оптимистичные из струнных теоретиков воображали, что эти отличия должны будут служить для удаления четырех из пяти версий, когда однажды детальное сравнение с экспериментальными данными будет проведено. Но, откровенно говоря, простое существование пяти теорий струн было источником внутреннего дискомфорта. Мечта об унификации является одной из тех, которые приводят ученых к единой теории вселенной. Если исследование установит, что только одна теоретическая система может охватить как квантовую механику, так и ОТО, теоретики достигнут унификационной нирваны. Они будут иметь полную уверенность в применимости данной системы даже в отсутствие прямого экспериментального подтверждения. Как-никак изобилие экспериментальной поддержки как квантовой механики, так и ОТО уже существует, и кажется ясным как день, что законы, управляющие вселенной, должны быть взаимно совместимыми. Если отдельная теория является уникальной, математически непротиворечивой аркой, стягивающей два экспериментально подтвержденных столпа физики двадцатого столетия, это будет обеспечивать убедительное, хотя и не прямое подтверждение неизбежности этой теории.

Но тот факт, что имеются пять версий теории струн, внешне сходных, хотя отличающихся в деталях, должно, по-видимому, означать, что теория струн провалила тест на уникальность. Даже если оптимисты однажды оправдаются и только одна из пяти струнных теорий будет подтверждена экспериментально, мы все еще будем раздосадованы ноющим вопросом, почему имеются другие четыре непротиворечивые формулировки. Должны ли четыре другие теории быть просто математическими курьезами? Будут ли они иметь какое-либо значение для физического мира? Может быть, их существование является вершиной теоретического айсберга, на котором хитрые ученые смогут впоследствии показать, что на самом деле имеется пять других версий, или шесть, или семь, или вообще бесконечное количество отдельных математических вариаций на тему струн?

В течение поздних 1980х и начала 1990х для многих физиков, горячо добивавшихся понимания той или иной теории струн, загадка пяти версий не была повседневной проблемой. Напротив, это был один из тех спокойных вопросов, к которому каждый предполагал обратиться в удаленном будущем, когда понимание каждой индивидуальной теории струн станет существенно более утонченным.

Но весной 1995 почти без предупреждения эти скромные надежды были значительно превышены. На основе работ многих струнных теоретиков (включая Криса Халла, Пола Таунсенда, Эшока Сена, Майкла Даффа, Джона Шварца и мноих других) Эдвард Виттен, – который в течение двух десятилетий был самым известным струнным теоретиком мира, – открыл скрытое единство, которое связывало все пять теорий струн вместе. Виттен показал, что вместо того, чтобы быть обособленными, пять теорий на самом деле являются просто пятью различными способами математического анализа одной теории. Почти как переводы книги на пять различных языков могут показаться для моноязычного читателя пятью отдельными текстами, пять струнных формулировок оказывались различными только потому, что Виттен еще не написал словаря для перевода между ними. Но, раз обнаружившись, словарь обеспечил убедительную демонстрацию, что – подобно одному главному тексту, из которого были сделаны пять переводов, – единая главная теория объединяет все пять струнных формулировок. Унифицирующая главная теория была пробно названа М- теория, М является дразнящим обозначением, значение которого – Главная (Master)? Величественная (Majestic)? Материнская? Магическая? Мистическая? Исходная (Matrix)? – ожидает результата энергичного общемирового исследовательского усилия, которое сейчас предпринимается, чтобы завершить новое видение, высвеченное мощным прозрением Виттена.

Это революционное открытие было радующим скачком вперед. Теория струн, как продемонстрировал Виттен в одной из самых удачных статей на эту тему (и в важной последующей работе с Петром Хоравой), является единой теорией. Струнным теоретикам больше не надо было при квалификации их кандидата на единую теорию Эйнштейна подыскивать слова, чтобы добавить с легким оттенком смущения, что предлагаемая унифицирующая схема не имеет единственности, поскольку она выступает в пяти различных версиях. Напротив, как оказалось, самые далеко идущие предложения для объединенной теории сами являются субъектом унификации более высокого уровня. Через работу Виттена единственность, воплощенная каждой индивидуальной теорией струн, была распространена на всю струнную схему.

Рис. 13.1 в общих чертах описывает статус пяти струнных теорий перед и после открытия Виттена и представляет хороший обобщенный образ, чтобы держать его в памяти. Он иллюстрирует, что М-теория сама по себе не является новым приближением, но что, разгоняя облака, она обещает более уточненную и полную формулировку физических законов, чем любая из индивидуальных теорий струн в состоянии обеспечить. М-теория связывает вместе и включает в себя в равной степени все пять теорий струн, показывая, что каждая из них является частью более великого теоретического обобщения.

Сила перевода

Хотя Рис. 13.1 схематически передает существенное содержание открытия Виттена, оно, выраженное таким образом, может поразить вас не более, чем бейсбольная расстановка. До прорыва Виттена исследователи думали, что имеются пять отдельных версий теории струн; после его прорыва они так не думают. Но если вы никогда не знали, что имелось пять предположительно различных теорий струн, почему вы должны интересоваться, что самый хитроумный из всех струнных теоретиков показал, что они в конце концов не различаются? Иными словами, почему открытие Виттена революционно в противоположность более скромному достижению, корректирующему предыдущие ошибочные концепции?

(а) (b)

Рис 13.1 (а) Схематическое изображение пяти струнных теорий перед 1995 годом, (b) Схематическое изображение мета-унификации, показанной М-теорией.

Вот почему. В течение последних нескольких десятилетий струнным теоретикам то и дело препятствовали математические проблемы. Поскольку точные уравнения, описывающие любую одну из пяти струнных теорий оказывались столь сложными для их выделения и анализа, теоретики больше основывались в своих исследованиях на приближенных уравнениях, с которыми намного легче работать. Хотя имеются хорошие основания быть уверенным, что приближенные уравнения должны во многих обстоятельствах давать ответы, близкие к ответам, которые были бы даны точными уравнениями, приближения – вроде переводов с языка на язык – всегда что-то упускают. По этой причине определенные ключевые проблемы оказались вне пределов математической досягаемости приближенных уравнений, существенно мешая прогрессу.

При неточностях, неотъемлемых от текстуальных переводов, читатели имеют пару немедленных