Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Теории суперструн впервые привлекли внимание в 1980-х гг. (хотя идеи появились на несколько десятков лет раньше), и с тех пор они поглотили усилия целой когорты великолепных знатоков математической физики. Первоначальный радостный энтузиазм сменился периодом разочарования из-за приводящей в замешательство сложности теории. Но с 1995 г. у суперструн началась «вторая жизнь». Ученые поняли, что дополнительные измерения могут «упаковываться» всего в пять различных классов шестимерного пространства. На более глубоком математическом уровне они могут быть разделены, но связанные структуры встроены в 11-мерное пространство. Более того, понятие струн (одномерных сущностей) может быть расширено до двумерных поверхностей (мембран). На самом деле в 10-мерном пространстве могут быть поверхности с бо́льшим количеством измерений: другими словами, если двумерную поверхность назвать 2-браной [44] Бра́на (от мембрана) в теории струн – гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности, меньшей, чем размерность пространства, в котором он находится (протяженная p-мерная мембрана, где p – количество пространственных измерений). – Прим. пер. , может существовать и 3-брана, и т. д. Тем не менее по-прежнему существует непреодолимая пропасть между замысловатой сложностью 10-мерной теории струн и любым явлением, которое мы можем наблюдать или измерить.

Ранее уже случалось, что теории принимали всерьез, даже если у них не было прямой эмпирической поддержки, особенно в тех случаях, когда казалось, что они имеют неповторимую элегантность и правильность, – отдающаяся эхом доля истины, которая заставляет соглашаться. Например, в 1920-х гг. многие физики приняли ОТО Эйнштейна из-за ее великолепной содержательной концепции. Сейчас она подтверждена точными наблюдениями, но в начале своего существования доказательства были очень скудными. Самого Эйнштейна больше впечатляла элегантность его теории, а не какие-либо эксперименты. Подобным же образом в наши дни Эдвард Виттен, которого сейчас признают интеллектуальным лидером в области математической физики, сказал, что «хорошие неправильные идеи чрезвычайно редки, а хороших неправильных идей, которые могли хотя бы соперничать в величии с теорией струн, вообще никто не видел».

Тем не менее есть особые причины, не связанные с красотой, для того, чтобы испытывать оптимизм по поводу суперструн. Во-первых, это ОТО Эйнштейна, в которой тяготение понимается как искривление в четырехмерном пространстве-времени, а эта теория неизбежно встраивается в теорию суперструн. Долго являвшийся предметом поиска синтез между тяготением и квантовыми принципами, таким образом, должен появиться естественным путем.

Также эта теория уже предложила более глубокое понимание черных дыр. Эта история восходит к началу 1970-х гг. Якоб Бекенштейн, израильский физик, работавший в Принстонском университете, обдумывал последствия недавнего для того времени открытия, что черные дыры являются унифицированными объектами (об этом было упомянуто в главе 3). Это подразумевало, что они теряют любую память о том, как были сформированы. Казалось, существует огромное количество способов, которыми черные дыры могут добывать себе строительный материал – в них могут провалиться осколки, планеты, газ и даже космические корабли, – но какие-либо следы этих историй выглядели полностью стертыми. Бекенштейн заметил, что это напоминает рост энтропии, который происходит при смешении двух газов: множество возможных первоначальных состояний ведут к неразличимой структуре в конце. Потеря информации соответствует увеличению энтропии , и Бекенштейн пришел к выводу о том, что черная дыра может иметь энтропию, которая является мерой количества всех различных путей, которыми она могла быть образована. Если Бекенштейн был прав, то черные дыры должны также иметь температуру , и его идея была поставлена на более прочное основание, когда Хокинг на самом деле вычислил, что черные дыры не являются абсолютно черными, а испускают излучение. (Это излучение является слишком слабым, чтобы его можно было измерить, но может быть важным, если окажется, что мини-дыры размером с атом, описанные в главе 3, действительно существуют.)

Теории суперструн, которые описывают структуру пространства в планковских масштабах, позволили сделать еще одно открытие. Американский физик-теоретик Эндрю Строминджер в 1996 г. доказал, что черные дыры (пусть даже одного определенного вида) могут быть представлены как собранные из элементов масштаба струн, а заодно показал, как рассчитать количество «перестроений» этих крошечных строительных кирпичиков, которые ведут к той же самой дыре. Это число точно согласуется со значением энтропии, вычисленным Бекенштейном и Хокингом. Это, конечно, не эмпирическое доказательство, но оно повышает нашу уверенность в теории, поскольку расчеты основаны на более традиционной физике и она углубляет наше проникновение в таинственные свойства черных дыр.