Как мы увидим, теория суперструн начинается с предложения нового ответа на старый вопрос: что является мельчайшей неделимой составляющей материи? В течение многих десятилетий общепринятый ответ был, что материя состоит из частиц – электронов и кварков, – которые моделируются как точки, которые неделимы и которые не имеют размера и внутренней структуры. Общепринятая теория утверждала, а эксперименты подтверждали, что эти частицы соединяются различными путями, образуя протоны, нейтроны и широкое разнообразие атомов и молекул, создавая все, с чем мы постоянно сталкиваемся. Теория суперструн рассказывает иную историю. Она не отрицает ключевую роль, которую играют электроны, кварки и другие виды частиц, проявляющихся в эксперименте, но утверждает, что эти частицы не являются точками. Вместо этого, в сответствии с теорией суперструн каждая частица составлена крошечной нитью энергии, в несколько сотен миллиардов миллиардов раз меньшей, чем отдельные атомные ядра (намного меньше, чем мы можем в настоящее время исследовать), которая имеет форму маленькой струны. И точно так же, как струна скрипки может вибрировать различными способами, каждый из которых создает различные музыкальные тона, нити теории суперструн также могут колебаться различными способами. Но эти колебания не производят различные музыкальные ноты; поразительно, теория утверждает, что они производят различные свойства частиц. Крошечная струна, вибрирующая одним образом, будет иметь массу и электрический заряд электрона; в соответствии с теорией такая колеблющаяся струна будет тем, что мы традиционно называем электроном. Крошечная струна, вибрирующая другим образом, будет иметь все необходимые свойства, чтобы идентифицировать ее как кварк, нейтрино или любой другой вид частицы. Все семейства частиц унифицируются в теории суперструн, поскольку каждая появляется из различных колебательных состояний (мод), осуществляемых одним и тем же лежащим в основании объектом.
Двигаясь от точек к струнам-которые-так-малы-что-выглядят-как-точки, можно не отследить, что такого ужасно важного изменится в перспективе. Однако такое есть. Из такого скромного начала теория суперструн объединяет общую теорию относительности и квантовую механику в единую последовательную теорию, изгоняя разрушительные бесконечные вероятности, от которых страдали первоначально предпринимавшиеся объединения. И если этого недостаточно, теория суперструн обнаруживает широкую необходимость вшивания всех сил природы и всей материи в один и тот же теоретический гобелен. Короче говоря, теория суперструн является главным кандидатом на роль единой теории Эйнштейна.
Это главные утверждения и они, если они правильны, представляют монументальный шаг вперед. Но более ошеломительная особенность теории суперструн, которая, я в этом почти не сомневаюсь, вызвала бы сердечный приступ у Эйнштейна, это ее глубокое воздействие на наши представления о ткани космоса. Как мы увидим, предлагаемый теорией суперструн синтез общей теории относительности и квантовой механики будет математически осмыслен, только если мы подвергнем нашу концепцию пространства-времени еще одному потрясению. Вместо трех пространственных измерений и одного временного измерения, следующих из повседневного опыта, теория суперструн требует девяти пространственных измерений и одного временного. А в более сильной инкарнации теории суперструн, известной как М-теория, объединение требует десять пространственных и одно временное измерение – космический фундамент складывается в целом из одиннадцати пространственно-временных измерений. Поскольку мы не видим эти дополнительные измерения, теория суперструн говорит нам, что мы слишком бегло осмотрели ограниченный ломтик реальности.
Конечно, отсутствие наблюдательного подтверждения дополнительных измерений может также означать, что они не существуют и что теория суперструн ложная. Однако, движение к такому заключению будет экстремально поспешным. Даже за десятилетия до открытия теории суперструн мечтательные ученые, включая Эйнштейна, обдумывали идею о пространственных измерениях вне тех, которые мы видим, и выдвигали возможности, где эти измерения могут быть скрыты. Струнные теоретики, по-существу, усовершенствовали эти идеи и нашли, что дополнительные измерения могут быть так тесно скрученными, что они слишком малы для нас или любого нашего существующего оборудования, чтобы их видеть (Глава 12), или он могут быть большими, но невидимыми в рамках тех способов, которыми мы исследуем вселенную (Глава 13). Каждый сценарий приводит к глубоким следствиям. Через их влияние на струнные колебания геометрический образ мельчайших скрученных измерений может содержать ответы на некоторые из самых основных вопросов, вроде того, почему наша вселенная имеет звезды и планеты. А пространство, обеспечиваемое большими дополнительными измерениями, может позволять даже нечто более примечательное: другие соседние миры – не соседние в обычном пространстве, а соседние в дополнительных измерениях, – о которых мы поэтому полностью не осведомлены.
Обе идеи существования дополнительных измерений не просто теоретическое парение в облаках. Они в скором времени могут быть проверены. Если они существуют, дополнительные измерения могут привести к зрелищным результатам в следующем поколении атомных ускорителей, таким как первая синтезированная человеком микроскопическая черная дыра или производство гигантского разнообразия новых, никогда ранее не наблюдавшихся видов частиц (Глава 13). Эти и другие экзотические результаты могут обеспечить первое проявление размерностей, лежащих вне непосредственно видимых, обеспечивая нам шаг к установлению теории суперструн, как давно разыскиваемой единой теории.
Если теория суперструн подтвердит свою точность, мы будем в силах допустить, что реальность, которую мы знаем, является тонким шелком, накинутым на толстую и богато структурированную ткань космоса. Вопреки декларации Камю, определение числа пространственных измерений – и, в особенности, нахождение, что их не просто три, – обеспечит намного больше, чем интересные для науки, но, в конечном счете, несущественные детали. Открытие дополнительных измерений покажет, что полнота человеческого опыта оставляет нас полностью неосведомленными об основных и существенных аспектах вселенной. Это будет сильнейший аргумент в пользу того, что даже те особенности космоса, которые мы представляли себе легко доступными для человеческих ощущений, могут не быть таковыми.
Реальность прошлого и будущего
С разработкой теории суперструн исследователи настроены оптимистично, что мы, наконец, имеем структуру, которая не разрушится при любых условиях, не важно, насколько экстремальных, позволяя нам когда-нибудь всмотреться с нашими уравнениями назад и изучить, что происходило в тот момент, когда вселенная, насколько мы это знаем, началась. На сегодня никто не достиг достаточной сообразительности, чтобы недвусмысленно применить теорию к Большому взрыву, но понимание космологии в соответствии с теорией суперструн становится одним из высших приоритетов сегодняшних исследований. На протяжении последних нескольких лет энергичные исследовательские программы по суперструнной космологии во всем мире привели к новым космологическим системам взглядов (Глава 13), предлагающим новые пути для проверки теории суперструн с использованиям астрофизических наблюдений (Глава 14) и обеспечивающим некоторые первые взгляды на роль, которую теория может сыграть в объяснении стрелы времени.
Стрела времени через определяющую роль, которую она играет в повседневной жизни, и ее интимную связь с началом вселенной лежит на уникальном пороге между реальностью, которую мы ощущаем, и более утонченной реальностью, которую наука переднего края пытается раскрыть. Раз так, то вопрос о стреле времени обеспечивает общую нить, которая бежит через многие разработки, которые мы будем обсуждать, и он снова и снова будет всплывать на поверхность в следующих главах. Это пробный камень. Среди многих факторов, формирующих жизнь, которую мы ведем, время находится среди наиболее доминирующих. Раз уж мы продолжаем добывать выгоды из теории суперструн и ее расширения, М-теории, наши космологические взгляды будут углубляться, делая видение и начала времени, и его стрелы все более четким. Если мы позволим нашему воображению двигаться совершенно свободно, мы можем даже узреть, что глубина наших представлений однажды позволит нам плавать в пространстве-времени и, следовательно, освободиться от пространственно-временных цепей, в которые мы были закованы тысячелетия (Глава 15).
Конечно, экстремально маловероятно, что мы когда-либо достигнем такой мощи. Но даже если мы никогда не добудем способности контролировать пространство и время, глубокое понимание принесет свои собственные возможности. Наше понимание истинной природы пространства и времени будет проверкой способностей человеческого интеллекта. Мы, наконец, придем к знанию пространства и времени – молчаливым, всегда присутствующим меткам, очерчивающим крайние границы человеческого опыта.
Совершеннолетие в пространстве и времени
Когда я много лет назад перевернул последнюю страницу Мифа о Сизифе, я был приятно удивлен текстом, который внушил объемлющее чувство оптимизма. Как-никак, когда человек приговорен к закатыванию камня на гору при полном знании, что он скатится вниз и ему потребуется начать закатывать камень снова, это не тот сорт историй, от которых вы можете ожидать счастливого конца. Однако Камю нашел сильную надежду в способности Сизифа бороться за свободу воли, давить на несокрушимое препятствие и утверждать свой выбор продолжения существования, даже когда он приговорен к абсурдному занятию в безразличной вселенной. За пределами прямого опыта, при прекращении любого поиска более глубокого понимания или глубокого смысла, утверждает Камю, Сизиф торжествует.
На меня произвела серьезное впечатление способность Камю находить надежду, когда многие другие будут видеть только безысходность. Но как юноша, и только после многих десятилетий я нашел, что я не могу принять утверждение Камю, что более глубокое понимание вселенной ничего не даст для того, чтобы сделать жизнь более богатой или достойной. В то время как Сизиф был героем Камю, величайшие ученые – Ньютон, Эйнштейн, Нильс Бор и Ричард Фейнман – стали моими. И когда я читал фейнмановское описание розы, – в котором он объяснял, как он может ощущать аромат и красоту цветка так же полно, как и любой другой человек, но как его знание физики весьма обогащает ощущения, поскольку он может также принять в изумлении и великолепии лежащие в основе молекулярные, атомные и субатомные процессы, – я крепко сел на крючок. Мне захотелось того, что описывал Фейнман: оценивать жизнь и ощущать вселенную на всех возможных уровнях, а не только на тех, что кажутся достижимыми нашим хрупким человеческим ощущениям. Поиск более глубокого понимания космоса стал моей плотью и кровью.
Как профессиональный физик, я долго осуществляю то, что было более наивным в моей институтской страсти к физике. Физики в целом не расходуют свои рабочие дни, созерцая цветы в состоянии космического трепета и мечтательности. Вместо этого мы уделяем большую часть нашего времени борьбе со сложными математическими уравнениями, написанными каракулями поперек исчерканной мелом доски. Прогресс может быть слабым. Многообещающие идеи, более часто, чем нет, приводят в никуда. Такова природа научного поиска. Хотя, даже в периоды минимального прогресса я нахожу, что только усилия, использованные на головоломки и расчеты, дают мне ощущение тесной связи с космосом. Я нахожу, что вы можете прийти к знанию вселенной не только разрешая ее тайны, но и также погружаясь с головой в них. Ответы велики. Ответы, подтвержденные экспериментом, еще более велики. Но даже ответы, которые в конце концов оказываются ложными, представляют результат глубокого свидания с космосом – свидания, которое излучает интенсивный свет на вопросы и, следовательно, на саму вселенную. Даже когда камень, ассоциирующийся с отдельным научным объяснением, оказывается катящимся назад в самое начало, мы, тем не менее, чему-то учимся и наши ощущения космоса обогащаются.
Конечно, история науки показывает, что камень наших коллективных научных исследований – с учетом вклада бесчисленных ученых через все континенты и столетия – не скатывается вниз с горы. В отличие от Сизифа, мы не начинаем все с самого начала. Каждое поколение наследует камень у предыдущего, отдает дань уважения тяжелой работе, проницательности, творчеству своих предшественников и понемногу толкает его дальше. Новые теории и более усовершенствованные измерения отмечают прогресс науки, и такой прогресс достраивает то, что пришло раньше, почти никогда не вытирая грифельную доску до чистоты. Поскольку это так, наша работа далека от абсурда или бесцельности. Вкатывая камень на гору, мы предпринимаем наиболее лучшие и благородные действия: обнаружив новое, мы сообщаем об этом заинтересованным людям, чтобы наслаждаться чудесами, которые мы открываем, и чтобы передать наши знания тем, кто идет следом.
Для представителя вида, который по космической шкале времени только сейчас научился ходить вертикально, предстоящие проблемы ошеломительны. Кроме того, за последние три столетия, пока мы продвигались от классической к релятивистской, а затем к квантовой реальности, и движемся сегодня к изучению единой реальности, наше мышление и инструменты охватили от края до края великие просторы пространства и времени, приведя нас ближе чем когда-либо к миру, который проявляет искусное мастерство маскировки. И поскольку мы продолжаем медленно снимать маски с космоса, мы зарабатываем хорошие знания, которые приходят только от приближения к ясности истины. Исследованиям еще очень далеко идти, но многим кажется, будто наш биологический вид, наконец, достиг окончания детства.
Несомненно, наше взросление здесь на окраине Млечного пути происходит уже долгое время. Так или иначе, мы тысячи лет исследовали наш мир и обозревали космос. Но за большую часть этого времени мы совершали только ограниченные вторжения в неизведанное, каждый раз возвращаясь домой слегка более мудрыми, но сильно не изменившимися. Потребовалось вмешательство Ньютона, чтобы прочно установить флаг современного научного исследования, и никогда не возвращаться к старому. Мы с тех пор направились выше. И все наше путешествие начинается с простого вопроса.
Что такое пространство?
2 Вселенная и ведро
ПРОСТРАНСТВО – ПРИДУМАННАЯ ЧЕЛОВЕКОМ АБСТРАКЦИЯ ИЛИ ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ?
Нечасто бывает, чтобы ведро воды было в центре дебатов, длящихся триста лет. Но ведро, принадлежавшее сэру Исааку Ньютону, есть не обычное ведро, а маленький эксперимент, который он описал в 1689 году и который оказал с тех пор глубокое влияние на некоторых из величайших физиков мира. Эксперимент таков: берем ведро, наполненное водой, подвешиваем его на веревку, туго закручиваем веревку так, что она готова раскручиваться, и отпускаем ведро. Во-первых, ведро начинает вращаться, но вода внутри остается явно стационарной; поверхность стационарной воды остается гладкой и плоской. Когда ведро набирает скорость, мало-помалу его движение передается воде через трение, и вода начинает вращаться тоже. Когда это происходит, поверхность воды принимает вогнутый вид, выше возле обода и ниже в центре, как показано на Рис. 2.1.
Этот эксперимент – не совсем такой, от которого начинает сильно биться сердце. Но небольшое размышление покажет, что это ведро с вращающейся водой экстремально головоломно. И подход к его пониманию, что мы не могли сделать триста лет, оценивается как один из наиболее важных шагов к пониманию структуры вселенной. Понимание, почему тут возникает некоторое двойное дно, стоит усилий.
Рис 2.1 Поверхность воды сначала плоская и остается такой, когда ведро начинает вращаться. Впоследствии, когда вода также начинает вращаться, ее поверхность становится вогнутой, и она остается вогнутой, пока вода вращается, даже когда ведро замедляется и останавливается. Реальность до Эйнштейна
Слово "относительность" мы ассоциируем с Эйнштейном, но сама концепция гораздо старше. Галилей, Ньютон и многие другие были хорошо осведомлены, что скорость – быстрота и направление движения объекта – относительна. В современных терминах с точки зрения бейсболиста хорошо поданный быстрый мяч может делать приблизительно 100 миль в час. С точки зрения бейсбольного мяча есть подающий, чья скорость приблизительно 100 миль в час. Оба описания точны; это просто вопрос ракурса. Движение мыслится только в относительном смысле: скорость объекта может быть определена только по отношению к другому объекту. Вы, вероятно, ощущали это. Когда поезд, на котором вы находитесь, оказывается рядом с другим и вы видите относительное движение, вы не можете немедленно сказать, какой поезд на самом деле движется по рельсам. Галилей описывал этот эффект, используя транспорт его дней, а именно, корабли. Уроните монету на плавно плывущем судне, говорил Галилей, и она ударится у ваших ног точно также, как это будет на твердой земле. С вашей точки зрения вы можете определенно заявить, что вы стационарны, а вода обтекает корпус корабля. И поскольку с этой точки зрения вы не движитесь, движение монеты относительно ваших ног будет точно такое же, какое оно было до вашей посадки на корабль.
Конечно, есть условия, при которых ваше движение кажется существенным, когда вы можете чувствовать его и полагаете возможным заявить без помощи внешних сравнений, что вы определенно движетесь. Это происходит в случае ускоренного движения, то есть движения, при котором ваша скорость и/или ваше направление изменяются. Если лодка, на которой вы находитесь, неожиданно накреняетя тем или иным образом, или тормозится, или ускоряется или изменяет направление на круглой излучине реки, или попадает в водоворот и крутится круг за кругом, вы знаете, что вы движетесь. И вы определите это без оглядки по сторонам и без сравнения вашего движения с некоторой выбранной точкой отсчета. Даже если ваши глаза закрыты, вы знаете, что вы движетесь, поскольку вы чувствуете это. Итак, в то время как вы не можете чувствовать движение с постоянной быстротой, которое направлено по неизменной прямолинейной траектории, – так называемое движение с постоянной скоростью, – вы можете чувствовать изменения в вашей скорости.
Но, если вы подумаете об этом минуту, есть что-то странное во всем этом. Что такого есть вокруг изменений в скорости, что позволяет им оставаться особенными, иметь внутренний смысл? Если скорость есть нечто, что имеет смысл только при сравнениях, - говорят, что это движение по отношению к чему-либо, - как так получается, что изменения в скорости тем или иным образом отличаются и не требуют тоже сравнений для придания им смысла? Фактически, может ли быть, что они на самом деле требуют сделать сравнение? Может ли быть, что имеются некоторые неявные или скрытые сравнения, которые на самом деле работают все время, когда мы обращаем внимание или ощущаем ускоренное движение? Это центральный вопрос, к которому мы направляемся, так как, вообще-то неожиданно, он затрагивает глубочайшие проблемы, окружающие смысл пространства и времени.