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

Это восхитительно элегантная система для объяснения частиц в Таблице 12.1, но кроме того, предложенные теорией струн унификации идут еще дальше. В Главе 9 и в нашем обсуждении выше мы рассмотрели, как силы природы переносятся на квантовом уровне другими частицами, частицами-переносчиками, которые собраны в Таблице 12.2. Теория струн отвечает за частицы-переносчики точно так же, как она отвечает за частицы материи. А именно, каждая частица-переносчик является струной, которая проявляет специфический способ колебаний. Фотон является вибрацией струны одним особым способом, глюон есть колебание струны другим способом. И, что имеет первоочередную важность, что показали Шварц и Шерк в 1974, имеется особая колебательная мода, которая имеет все свойства гравитона, так что гравитационная сила включается в квантовомеханическую схему теории струн. Таким образом, не только частицы материи возникают из вибрирующих струн, но так же и частицы-переносчики – даже частица-переносчик гравитации.

Взаимодействие (сила) Частица-переносчик Масса
Сильное Глюон 0
Электромагнитное Фотон 0
Слабое W; Z 86; 97
Гравитационное Гравитон 0

Таблица 12.2 Четыре силы (взаимодействия) природы вместе со связанными с ними частицами и их массами в единицах массы протона. (В действительности имеется две W-частицы – одна с зарядом +1 и одна с зарядом –1 – которые имеют одинаковую массу; для простоты мы пренебрегаем этими деталями и отмечаем каждую как W-частицу).

Итак, помимо обеспечения первого успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики, теория струн обнаруживает свою мощь, обеспечив единое описание для всей материи и всех взаимодействий. Это то утверждение, которое выбило тысячи физиков из их кресел в середине 1980х; со временем они поднялись и отряхнули с себя пыль, многие поменяли убеждения.

Почему теория струн работает?

Перед разработкой теории струн путь научного прогресса был усыпан неудачными попытками соединить гравитацию и квантовую механику. Так что такое с теорией струн, что позволило ей так сильно преуспеть? Мы описали, как Шварц и Шерк осознали, в значительной степени неожиданно для себя, что один особый способ колебаний струны имеет точно такие правильные свойства, чтобы быть гравитоном, и, как они затем заключили, что теория струн обеспечивает готовую схему для соединения двух теорий. Исторически в самом деле так и было, сила и перспективность теории струн были случайно осознаны, но как объяснение, почему струнный подход преуспевает там, где все другие попытки пасуют, оно оставляет желать лучшего. Рис. 12.2 суммирует конфликт между ОТО и квантовой механикой – на ультракоротких пространственных (и временных) масштабах буйство квантовой неопределенности становится настолько интенсивным, что гладкая геометрическая модель пространства-времени, лежащая в основе ОТО, разрушается – так что вопрос в следующем: Как теория струн решает проблему? Как теория струн нормализует бурные флуктуации пространства-времени на ультрамикроскопических расстояниях?

Главное новое свойство струнной теории в том, что ее основной ингредиент не точечная частица, – точка не имеет размера – а, вместо этого, объект, который имеет пространственную протяженность. Эта разница является ключевой для успеха теории струн в соединении гравитации и квантовой механики.

Дикое буйство, показанное на Рис. 12.2, возникает из применения принципа неопределенности к гравитационному полю; на все меньших и меньших масштабах принцип неопределенности подразумевает, что флуктуации в гравитационном поле будут все больше и больше. На таких экстремально малых масштабах расстояний, однако, мы должны описывать гравитационное поле в терминах его фундаментальных составляющих, гравитонов, почти как на молекулярных масштабах мы должны описывать воду в терминах молекул Н₂О. На этом языке буйные неровности гравитационного поля должны мыслиться как большие количества гравитонов, дико прыгающих с места на место, как частицы грязи и пыли, пойманные свирепым торнадо. Теперь, если бы гравитоны были точечными частицами (как всегда представлялось ранее, приводя к краху попыток соединения ОТО и квантовой механики), Рис. 12.2 будет в точности отражать их коллективное поведение: чем короче масштаб расстояний, тем больше перемешивание. Но теория струн меняет это заключение.

В теории струн каждый гравитон есть вибрация струны – чего-то, что не является точкой, а, вместо этого, имеет грубо планковскую длину (10^–33 сантиметра) в размере. [12] А поскольку гравитоны являются мельчайшими, наиболее элементарными составляющими гравитационного поля, не имеет смысла говорить о поведении гравитационных полей на масштабах меньше планковской длины. Точно так же, как разрешение вашего телевизионного экрана ограничено размером индивидуальных пикселов или зерен, разрешение гравитационного поля в теории струн ограничено размером гравитонов. Таким образом, ненулевой размер гравитонов (и чего-угодно-другого) в теории струн устанавливает предел, грубо масштаба планковской длины, до которого точно гравитационное поле может быть разложено.

12. Как мы увидим в Главе 13, недавние работы по теории струн наводят на мысль, что струны могут быть намного больше планковской длины, и это дает множество критических последствий, – включая возможность сделать теорию экспериментально проверяемой.

Это существенное осознание. Неконтролируемые квантовые флуктуации, проиллюстрированные на Рис. 12.2, возникают только тогда, когда мы рассматриваем квантовую неопределенность на достаточно коротких масштабах длин – масштабах короче планковской длины. В теории, основанной на точечных частицах нулевого размера, такое применение принципа неопределенности оправдано и, как мы видели на рисунке, это приводит нас к диким землям за пределами достижимости ОТО Эйнштейна. Теория, основанная на струнах, однако, включает встроенную защиту от отказов. В теории струн струны являются мельчайшим ингредиентом, так что наше путешествие в ультрамикроскопическую область приходит к концу, когда мы достигаем длины Планка – размера самой струны. На Рис. 12.2 планковский масштаб представлен вторым сверху уровнем; как вы можете видеть, на таких масштабах все спокойно; волнообразные движения в ткани пространства вследствие гравитационного поля все еще подчиняются квантовым дрожаниям. Но дрожания достаточно мягкие, чтобы избежать непоправимого конфликта с ОТО. Точная математическая основа ОТО должна быть модифицирована, чтобы включить эти квантовые волнообразные движения, но это может быть сделано и математика остается осмысленной.

Таким образом, введя ограничения, на сколь малые расстояния мы можем зайти, теория струн вводит ограничения, насколько сильны становятся дрожания гравитационного поля, – и предел оказывается достаточно разумным, чтобы избежать катастрофического конфликта между квантовой механикой и ОТО. Таким образом, теория струн подавляет антагонизм между двумя схемами и оказывается способной впервые соединить их.

Космическая ткань в области малого

Что это значит для ультрамикроскопической природы пространства и пространства-времени в более общем смысле? С одной стороны, это сильно бросает вызов обычному понятию, что ткань пространства и времени непрерывна, – что вы можете всегда разделить расстояние между здесь и там или продолжительность между теперь и тогда пополам и снова пополам, бесконечно деля пространство и время на все более малые доли. Вместо этого, когда вы подходите к планковской длине (длине струны) и планковскому времени (времени, которое требуется свету, чтобы пролететь длину струны) и пытаетесь разделить пространство и время более тонко, вы находите, что это невозможно. Концепция "уменьшения" перестает иметь смысл как только вы достигаете размера наименьшей составляющей космоса. Для точечных частиц нулевой длины это не приводит к ограничению, но поскольку струны имеют размер, для них приводит. Если теория струн верна, обычные концепции пространства и времени, система, в рамках которой имеет место весь наш повседневный опыт, просто неприменимы на масштабах меньше планковского масштаба – масштабах самих струн.

Что касается концепции, которая должна прийти на смену, по ней все еще нет консенсуса. Одна возможность, которая согласуется с изложенным выше объяснением о том, как теория струн запутывает квантовую механику и ОТО, заключается в том, что ткань пространства на планковском масштабе похожа на решетку или сетку, в которой "пространство" между линиями сетки находится вне границ физической реальности. Точно так же, как микроскопический муравей, гуляя по обычному кусочку ткани, будет перепрыгивать с нити на нить, возможно, что движение через пространство на ультрамикроскопических масштабах аналогично требует дискретных прыжков с одной "нити" пространства на другую. Время тоже может иметь зернистую структуру с индивидуальными моментами, тесно упакованными друг к другу, но не сливающимися в бесшовный континуум. При таком образе мыслей концепции все более маленьких пространственных и временных интервалов резко заканчиваются на планковском масштабе. Точно так же, как нет такой вещи, как американская монетка величиной меньше пенни, если ультрамикроскопическое пространство-время имеет сетчатую структуру, то нет такой вещи, как расстояние короче планковской длины или продолжительность короче планковского времени.

Другая возможность заключается в том, что пространство и время не теряют внезапно смысл на экстремально малых масштабах, а вместо этого постепенно модифицируются в иные, более фундаментальные концепции. Сокращение меньше чем до планковского масштаба будет запрещено не потому, что вы вторгаетесь в фундаментальную сетку, а потому, что концепции пространства и времени продолжаются в виде понятий, для которых "сокращение меньше" столь же бессмысленно, как вопрос, не является ли число девять счастливым. Это значит, что мы можем представить себе, что в то время, как привычное макроскопическое пространство и время постепенно трансформируется в их непривычные ультрамикроскопические двойники, многие из их обычных свойств – таких как длина и продолжительность – становятся неприменимыми или бессмысленными. Точно так же, как вы можете разумно изучать температуру и вязкость жидкой воды – концепции, которые применимы к макроскопическим свойствам жидкости, – но когда вы спускаетесь на уровень индивидуальных молекул Н₂О, эти концепции теряют смысл, так же, возможно, хотя вы можете разделить область пространства и продолжительность времени пополам и еще раз пополам на повседневном масштабе, когда вы проходите планковский масштаб, происходит трансформация, которая переводит такое деление в бессмысленное.

Многие струнные теоретики, включая меня, сильно подозревают, что что-нибудь в духе указанных возможностей на самом деле происходит, но чтобы идти дальше, мы нуждаемся в описании более фундаментальных концепций, в которые трансформируются пространство и время.* На сегодняшний день этот вопрос остается без ответа, но передовые исследования (описываемые в последней главе) предлагают некоторые возможности с далеко идущими последствиями.

(*)"Я могу заметить, что последователи другого подхода по соединению ОТО и квантовой механики, петлевой квантовой гравитации, которая будет коротко обсуждена в Главе 16, принимают точку зрения, которая недалека от упомянутого выше предположения, – что пространство-время имеет дискретную структуру на мельчайших масштабах".

Деликатные вопросы

Из описаний, которые я давал до настоящего времени, может показаться загадочным, что некоторые физики сопротивляются очарованию теории струн. Наконец-то, есть теория, которая дает надежду на осуществление мечты Эйнштейна и даже больше; теория, которая может успокоить враждебность между квантовой механикой и ОТО; теория с возможностью объединения всей материи и всех сил через описание всего в терминах вибрирующих струн; теория, которая предлагает ультрамикроскопическую область, в которой привычное пространство и время могут быть так же старомодны и изящны, как телефон с дисковым набором; короче говоря, теория, которая обещает дать нам понимание вселенной на совершенно новом уровне. Но не стоит забывать, что никто никогда не видел струну и, исключая некоторые радикальные идеи, обсуждаемые в следующей главе, вероятно, что даже если теория струн верна, никто никогда и не увидит. Струны столь малы, что прямое наблюдение равносильно чтению текста на этой странице с расстояния 100 световых лет: это требует силы разрешения примерно в миллиард миллиардов раз точнее, чем позволяют наши текущие технологии. Некоторые ученые громогласно утверждают, что теория, настолько удаленная от прямой эмпирической проверки, лежит в области философии или теологии, но не физики.