Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Шрифт:
Общая теория относительности Эйнштейна была монументальной. С ее помощью физики намного глубже поняли гравитационное поле и сумели с беспрецедентной точностью рассчитать влияние гравитации. Теория относительности дала физикам в руки инструменты для предсказания эволюции всех гравитационных систем, даже всей Вселенной. Однако, несмотря на все эти успешные предсказания, общая теория относительности не может быть последним словом в гравитации. Общая теория относительности рушится, когда ее пытаются применять на очень малых расстояниях. На очень малых масштабах длины нужна новая гравитационная парадигма. Многие физики полагают, что такой парадигмой должна быть теория струн.
Если теория струн верна, она объединяет успешные предсказания общей теории относительности,
Бросим взгляд на теорию струн и эволюцию этой удивительной теории, кульминацией которой была «суперструнная революция» 1984 года, когда физики показали, что отдельные куски теории струн замечательно стыкуются друг с другом. Суперструнная революция была только началом интенсивной исследовательской программы, в которой принимают активное участие многие современные физики. В этой и следующей главах мы рассмотрим историю теории струн и ряд удивительных современных достижений этой теории. Мы увидим, что теория струн достигла заметных успехов и имеет многообещающие перспективы. Но мы увидим также, что теория струн сталкивается со многими сложнейшими проблемами, которые предстоит решить физикам, прежде чем использовать эту теорию для того, чтобы делать предсказания о нашем мире.
Квантовая механика и общая теория относительности мирно сосуществуют в широком интервале расстояний, включая те, которые доступны экспериментальному анализу. Хотя обе теории должны быть применимы на всех масштабах длин, между ними существует взаимопонимание, какая из теорий должна доминировать на измеримых больших и малых расстояниях. Квантовая механика и общая теория относительности могут мирно разделить территорию, так как каждая теория признает главенство другой в обозначенной области. Общая теория относительности важна для массивных протяженных тел, таких как звезды или галактики. Но влияние гравитации на атом пренебрежимо мало, так что можно спокойно изучать атом, игнорируя общую теорию относительности. С другой стороны, квантовая механика критически важна на атомных расстояниях, так как ее предсказания для атома существенны и заметно отличаются от предсказаний классической физики.
Однако квантовая механика и теория относительности не находятся в полной гармонии. Эти две очень разные теории никогда не могли успешно преодолеть чрезвычайно малое расстояние, известное как планковский масштаб длины 10– 33 см. Из ньютоновского закона тяготения мы знаем, что интенсивность тяготения пропорциональна массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Даже несмотря на то, что на атомных масштабах сила тяготения мала, закон тяготения утверждает, что на еще меньших масштабах сила тяготения огромна. Гравитация важна не только для очень массивных протяженных тел, но и для тел, которые находятся чрезвычайно близко друг к другу, разделенные крохотным планковским расстоянием. Если мы пытаемся сделать предсказания об этом неизмеримо малом расстоянии, и квантовая механика, и общая теория относительности дадут существенный вклад, причем вклады двух теорий будут несовместимы. На этой спорной территории, где расчеты с помощью квантовой механики и общей теории относительности расходятся и предсказания терпят неудачу, нельзя пренебречь ни квантовой механикой, ни тяготением.
Общая теория относительности работает только тогда, когда имеются плавно меняющиеся гравитационные поля, закодированные в постепенно искривляющемся пространстве-времени. Но квантовая механика утверждает, что все, что может прощупывать или влиять на планковский масштаб длины, имеет колоссальную неопределенность импульса. Пробное тело с энергией, достаточной для исследования планковского масштаба длины, будет порождать разрушительные динамические процессы, например, энергетические выбросы виртуальных частиц, которые разрушат всякую надежду на описание явления с помощью общей теории относительности. Согласно квантовой механике, на планковском масштабе длины вместо гладкой и волнообразно меняющейся геометрии будут происходить дикие флуктуации с ветвящимися ручками и петлями пространства-времени, порождая тот тип топографии, с которым через миллион лет столкнулся Икар. В такой дикой местности нельзя использовать общую теорию относительности.
Но общая теория относительности не может просто отойти в сторону, предоставив квантовой механике полную свободу действий, так как на планковском масштабе длины тяготение представляет собой существенную силу. Хотя тяготение ничтожно при тех энергиях физики частиц, к которым мы привыкли, оно очень сильно при высоких энергиях, которые требуются для изучения планковского масштаба длины [130] . Планковский масштаб энергии, т. е. та энергия, которая нужна для изучения планковского масштаба длины, как раз является той энергией, при которой тяготение уже не может рассматриваться как ничтожная сила. На планковском масштабе длины тяготением пренебрегать нельзя.
130
Надо иметь в виду, что согласно квантово-механическим соотношениям необычайная малость планковского масштаба длины соответствует колоссальному масштабу планковской энергии.
В действительности, на планковском масштабе энергии тяготение возводит барьеры, делающие обычные квантово-механические вычисления невозможными. Любое тело, обладающее достаточной энергией, чтобы исследовать расстояние в 10– 33 см, будет захвачено черной дырой, которая берет в плен все, что только в нее попадает. Только квантовая теория гравитации может объяснить нам, что на самом деле происходит внутри.
На крохотных расстояниях квантовая механика и гравитация вопиют о более фундаментальной теории. Учитывая конфликт между ними, не остается иного выбора, кроме как пригласить внешнего арбитра в качестве альтернативы обоим теориям. Новый режим должен разрешать квантовой механике и общей теории относительности свободно править в своих бесспорных областях, но обладать равными правами управлять спорной областью, которую ни одна из старых теорий не контролирует. Возможным решением может быть теория струн.
Несовместимость квантовой механики и гравитации проявляется в бессмысленных предсказаниях, которые дает общепринятая теория тяготения для взаимодействий при высокой энергии частицы по имени гравитон, т. е. частицы, переносящей гравитационную силу в квантовой теории гравитации.
Согласно классической теории гравитации тяготение между массивными телами переносится гравитационным полем, во многом аналогично тому, как в классической электромагнитной теории Максвелла электромагнитное взаимодействие переносится от одной заряженной частицы к другой электромагнитным полем. Но квантовая электродинамика (КЭД), квантовая теория электромагнетизма, реинтерпретирует это классическое электромагнитное взаимодействие на языке обмена частицей — фотоном [131] . КЭД, теория фотонов, есть расширение классической теории электромагнетизма, включающее квантово-механические эффекты.
131
На самом деле происходит обмен не реальным физическим фотоном, а виртуальным фотоном.
Квантовая механика требует, что по аналогии должна существовать частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Эта частица и есть гравитон. В квантовой теории гравитации обмен гравитоном между двумя телами воспроизводит ньютоновский закон всемирного тяготения. Хотя гравитоны до сих пор непосредственно не наблюдались, физики уверены, что они существуют, так как квантовая механика говорит нам, что они есть.
Ниже для нас будет важен особый спин гравитона. Так как гравитоны переносят гравитацию — взаимодействие, тесно связанное с пространством и временем, то их спин отличается от спинов всех других известных переносчиков взаимодействий типа фотона. Мы не будем углубляться в причины этого, но гравитон — единственная безмассовая частица, спин которой равен 2, а не 1, как у других калибровочных бозонов, или 1/2, как у кварков и лептонов. Тот факт, что спин гравитона равен 2, окажется важным, когда мы перейдем к поиску убедительных свидетельств теорий с дополнительными измерениями. Кроме того, как мы вскоре убедимся, спин гравитона есть также ключ к пониманию потенциальных приложений теории струн.