Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Изначально в теории струн видели вероятного кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале 70-х годов прошлого века концепции кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, струнная модель явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. На этом фоне теория струн выглядела довольно экзотично, не выделяясь особой внутренней логической стройностью, не получила экспериментальных результатов. К тому же эта инновационная теория сразу столкнулась с трудными требованиями для размерности пространства, ведь ее модель была математически корректна только для многомерного пространственно-временного континуума.

Ко всему прочему выяснилось, что ввод в теорию струн спина приводит к ее корректной реализации только в пространстве-времени с девятью пространственными и одним временным измерением. Это было очень необычно, поскольку теоретикам еще не встречались теории, автоматически диктующие требуемую размерность. Ведь все известные уравнения механики, электродинамики и теории относительности в принципе справедливы для самого разного количества измерений. А вот теория суперструн требовала для своей реализации пространства-времени строго определенной размерности, к тому же с несколькими лишними измерениями, никогда не встречающимися в окружающей нас физической реальности.

В данной ситуации такие физики-теоретики, как Хокинг, Вайнберг и Пенроуз стали «конструировать» квантовую версию релятивистской гравитации. При этом они опирались на то, что соответствующие уравнения теории Эйнштейна содержат в себе решения, соответствующие неким гравитационным волнам. При квантовании они превращаются в кванты гравитационного поля — гравитоны, переносящие гравитационное взаимодействие. Топологически модель гравитона представляет собой нечто, напоминающее закольцованную струну. Гравитонные закольцованные струны по идее должны легко преодолевать границы нашего трехмерного пространства, перемещаясь в иные измерения. Но если эти странные «агенты влияния» гравитации способны на подобные «подпространственные» перемещения, то их геометрия вполне может описываться специальным классом еще не найденных решений.

То, что мы этого не видим, прежде всего свидетельствует о том, что дополнительные измерения очень хорошо спрятаны в глубинах нашего Мира. Этот образ скрученных до сверхмикроскопических размеров струнных колец и клубков называют компактификацией дополнительных измерений. Читая спецкурс «Теория гравитации», Хокинг подчеркивал: важно понимать, почему мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений. При этом он считал, что эти компактифицированые «свертки» ультрамикроскопических клубков, которые принципиально невидимы даже при рассеянии частиц на сверхмощных ускорителях, практически ничем не отличаются от образа безразмерной геометрической точки.

При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века, появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели напрямую сопоставлялась с гравитоном. Таким образом, Хокинг считал, что теория струн представляет собой математический каркас для квантовой теории тяготения.

Что обещало дальнейшее развитие теории струн?

Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным побочным результатам в математике, включая создание новых структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, Хокинг часто встречал физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования в области алгебраической геометрии.

Хокинга как космолога в теории струн больше всего интересовал вопрос создания оригинальных суперструнных сценариев рождения и эволюции нашего Мира. Хокинг полагал, что Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе этого лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего Мира.