„За онзи, който може да улови вселената от една унифицирана гледна точка, цялото сътворение ще му изглежда като уникална истина и необходимост.“

Ж. Д’Аламбер

„Имам чувството, че сме толкова близо до струнната теория, че в най-оптимистичните моменти си представям как някой ден завършената форма направо ще падне от небето в нечий скут. Когато обаче реализмът надделее, смятам, че в момента се намираме в процес на създаване на много по-дълбока теория от всички съществуващи досега и че след десетилетия, когато стана прекалено стар, за да мога да мисля свързано по подобни въпроси, младите физици ще трябва да решават дали всъщност наистина разполагаме с окончателна теория.“

Едуард Уитън

Класическият роман на Хърбърт Уелс „Невидимият“ започва с необичайна случка. Една студена зимна утрин в странноприемницата се появява облечен по особен начин непознат. Лицето му е изцяло покрито с бинтове, а очите му са скрити от тъмносини очила.

Отначало местните жители го съжаляват, предполагайки, че е претърпял някаква ужасна злополука. Но не след дълго в селото започват да стават странни неща. Един ден хазяйката влиза в празната му стая и изпищява при вида на дреха, която се носи сама във въздуха. Из помещението се разхвърчали шапки, чаршафите изведнъж подскочили, столовете започнали да се движат и „мебелите полудели“, спомня си с ужас тя.

Не след дълго из селото плъзват слухове. Накрая жителите се събират и отиват при странния непознат. За тяхно удивление той бавно започва да сваля бинтовете си. Тълпата замира. Под превръзките няма нищо. Всъщност непознатият е невидим. Настава хаос, всички започват да крещят и да тичат напред-назад. Селяните се опитват да заловят невидимия човек, който с лекота отблъсква нападенията им.

След като извършва ред дребни престъпления, невидимият намира свой стар приятел и му разказва необичайната си история. Истинското му име е г-н Грифин от университетския колеж. Започнал да изучава медицина, когато открил революционен метод за промяна на начина, по който плътта пречупва и отразява светлината. Тайната се криела в четвъртото измерение. „Открих общия принцип… формула, геометричен израз, включващ четири измерения“^[1], разказва той на д-р Кемп.

За съжаление, вместо да използва великото си откритие за доброто на човечеството, Грифин е обзет от мисли за грабежи и лични облаги. Предлага на приятеля си да му стане помощник. Двамата заедно биха могли да плячкосат целия свят. Приятелят му обаче е ужасѐн и разкрива Грифин на полицията. Стига се до последното преследване, по време на което невидимият получава смъртоносна рана.

Подобно на останалите добри научнофантастични истории, в романа на Хърбърт Уелс също има научна жилка. Всеки, който успее да се измъкне в четвъртото пространствено измерение (което днес се нарича пето, тъй като четвъртото е времето), ще стане наистина невидим и може дори да придобие способности, които обикновено се приписват на призраци и богове. Представете си например, че някакви митични същества живеят в двуизмерния свят на масата, както е в излезлия през 1884 г. роман „Плоска земя“ на Едуин Абът. Целият им живот преминава в пълно неведение за цяла вселена — третото измерение, — която ги заобикаля.

Но ако някой учен от Плоската земя успее да направи експеримент, който му позволи да се издигне на сантиметри над масата, той ще стане невидим, тъй като светлината ще минава под него, сякаш не съществува. Реейки се над Плоската земя, той би могъл да наблюдава как животът тече долу на масата. Реенето в хиперпространството си има предимства, тъй като всеки намиращ се в него ще притежава силата на истински бог.

Освен че светлината ще минава под него и ще го прави невидим, той самият би могъл да минава над останалите тела. С други думи, ученият би могъл просто да изчезва по свое желание и да минава през стени. Достатъчно му е да се озове в четвъртото измерение, за да изчезне от вселената на Плоската земя. А когато скочи отново върху масата, за обитателите на онзи свят той внезапно ще се материализира от нищото. Би могъл да избяга от всяка тъмница. Затворът в Плоската земя ще бъде просто начертан около престъпника кръг, така че той би могъл с лекота да се озове в третото измерение и да се измъкне.

От подобно хиперсъщество не би могла да се скрие никаква тайна. Златото в трезорите би се виждало с лекота от третото измерение, тъй като самия трезор е просто правоъгълник. Би било детска игра да посегнеш и да вземеш златото, без дори да ти се налага да влизаш с взлом в трезора. Биха могли да се правят операции, без да се налага да се реже кожата.

По същия начин Хърбърт Уелс се опитва да изрази идеята, че в един четириизмерен свят ние сме като обитателите на Плоската земя, живеещи в пълно неведение за по-висшите нива на съществуване, които вероятно се намират точно над нашето. Ние смятаме, че вселената се състои от всичко, което можем да видим, без да подозираме, че буквално под носовете ни може би съществуват цели други вселени. Макар и да се намират само на сантиметри над нас, носещите се в четвъртото измерение вселени ще си останат невидими.

Тъй като хиперсъществото ще притежава свръхчовешки възможности, приписвани обикновено на духове или призраци, в едно друго свое произведение Уелс се пита дали е възможно по-висшите измерения да се обитават от свръхестествени същества. Той задава един ключов въпрос, който днес е обект на множество спекулации и изследвания — възможно ли е в тези други измерения да съществуват непознати за нас физични закони? В повестта „Чудното посещение“ от 1885 г. изстреляният от викария куршум случайно уцелва ангел, който тъкмо минава през нашето измерение. Поради някаква космическа причина нашето измерение случайно се сблъскало с паралелна вселена и така ангелът се озовал в нашия свят. „Може би съществуват множество триизмерни вселени, разположени една до друга“^[2], пише Уелс. Викарият разпитва ранения ангел и за своя огромна изненада открива, че нашите природни закони не важат за неговия свят. Например в неговата вселена няма равнини, а цилиндри, така че самото пространство е изкривено. (Цели две десетилетия преди появата на общата теория на относителността Уелс се занимава с идеята за вселена с изкривени повърхности!) „Тяхната геометрия е различна, тъй като пространството е изкривено по такъв начин, че равнините им са цилиндри — разказва викарият. — Техният закон за гравитация не се подчинява на обратната квадратна сила и имат двадесет и четири основни цвята вместо три.“ Повече от век след излизането на повестта физиците разбират, че в паралелните вселени наистина могат да съществуват различни закони на физиката, с други набори елементарни частици, атоми и химични взаимодействия. (Както ще видим в 9 глава, направени са няколко експеримента, целящи да установят наличието на паралелни вселени, носещи се непосредствено над нашата.)

Концепцията за хиперпространството е завладявала въображението на художници, музиканти, мистици, теолози и философи, особено в началото на XX в. Според занимаващата се с история на изкуството Линда Далраймпъл Хендерсън интересът на Пабло Пикасо към четвъртото измерение повлияло възникването на кубизма. (Очите на жените са нарисувани така, че да гледат право към нас, дори когато носовете им са представени в профил, което ни позволява да ги виждаме изцяло — отпред, отзад и отстрани едновременно.) В прочутата картина Christus Hypercubus на Салвадор Дали Исус Христос е разпънат на тесаракт — разгънат четириизмерен куб. В „Постоянството на паметта“ Дали се опитва да предаде идеята за времето като четвърто измерение чрез меките часовници. В „Слизаща по стълбите гола жена (№2)“ на Марсел Дюшам виждаме слизащата фигура на части — друг опит за предаване на четвъртото измерение върху двуизмерното платно.

М-теорията

Днес загадките и легендите около четвъртото измерение се възкресяват поради напълно различна причина — разработването на струнната теория и нейната последна инкарнация, известна като М-теория. От историческа гледна точка идеята за хиперпространството срещаше упоритата съпротива на физиците, които с презрение твърдяха, че другите измерения са приоритет на всякакви мистици и шарлатани. Онези смелчаци, които сериозно изказваха предположение за съществуването на невиждани светове, обикновено ставаха обект на подигравки.

С появата на М-теорията всичко това се промени. Днес другите измерения са в центъра на радикална революция, тъй като учените са принудени да се изправят пред най-големия проблем на съвременната физика — пропастта между квантовата механика и общата теория на относителността. Забележително е, че тези две теории представляват цялото ни познание за вселената на фундаментално ниво. Понастоящем М-теорията е в състояние да обедини двете на пръв поглед несъвместими велики теории за вселената в едно съгласувано цяло и така да създаде една „теория на всичкото“. М-теорията е единствената от всички предложени през изминалия век теории, която може да бъде достоен кандидат за „разчитане на замисъла на Бог“, както се изразява Айнщайн.

Единствено в десет– или единадесетизмерно хиперпространство бихме могли да разполагаме с „достатъчно място“ за обединяване на всички фундаментални сили в една-единствена елегантна теория. Тя би трябвало да е в състояние да отговори на вечните въпроси: Какво е било преди началото? Възможно ли е да се обърне посоката на времето? Могат ли порталите към другите измерения да ни отведат на другия край на вселената? (Въпреки че критиците правилно посочват, че проверката на тази теория не е по силите на сегашните ни способности, в момента се планират редица експерименти, които могат да променят ситуацията. Върху тях ще се спрем допълнително в 10 глава.)

През последните петдесет години всички опити за създаване на едно наистина обединено описание на вселената се проваляха с гръм и трясък. Това не е трудно за разбиране от концептуална гледна точка. Общата теория на относителността и квантовата теория са диаметрално противоположни в почти всяко отношение. Общата теория на относителността е теорията за много големите обекти — черни дупки, големи взривове, квазари и разширяващи се вселени. Тя се основава на математиката на гладките повърхности, както чаршафите лягат върху матрака. Квантовата теория е точно обратното — тя описва света на невъобразимо малкото — атоми, протони, неутрони и кварки. Тя се основава на идеята за дискретни порции енергии, наречени кванти. За разлика от теорията на относителността, според квантовата теория могат да се изчислят единствено вероятностите за събитията и затова никога не можем да бъдем абсолютно сигурни къде точно се намира електронът. Двете теории се основават на различни видове математика, различни изходни постановки, различни физични принципи и различни области. Нищо чудно, че всички опити за обединяването им се провалят.

Гигантите на физиката след Айнщайн — дори такива като Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг, Волфганг Паули и Артър Едингтън — правели опити да разработят обща теория на полето, но резултатите се оказали плачевни. През 1928 г. Айнщайн случайно предизвикал бурната реакция на медиите с ранна версия на своята обща теория на полето. „Ню Йорк Таймс“ дори публикувал части от труда му, включително и уравнения. От Англия Едингтън писал на Айнщайн: „Може би ще се изненадате да научите, че един от най-големите универсални магазини в Лондон («Селфридж») постави на прозорците си вашата статия (шестте страници една до друга), така че всеки минаващ да може да я прочете. Събират се огромни тълпи.“^[3]

През 1946 г. Ервин Шрьодингер също налапал въдицата, когато решил, че е открил прословутата обща теория на полето. Много набързо — нещо съвсем нетипично за времето си (но не и днес) — свикал пресконференция, на която дошъл дори премиерът на Ирландия Иймън де Валера. Когато го запитали дали наистина е уверен, че е успял най-сетне да изнамери общата теория на полето, Шрьодингер отвърнал: „Смятам, че успях. Ако греша, ще се изложа като последния глупак.“^[4] (От „Ню Йорк Таймс“ разбрали за пресконференцията и разпратили текста на Айнщайн и други физици за коментар. Айнщайн с тъга забелязал, че Шрьодингер е преоткрил една стара теория, която самият той предложил преди години, но била отхвърлена. Въпреки любезния отговор Шрьодингер се почувствал дълбоко унизен.)

През 1958 г. Джеръми Бърнстейн участвал в семинар в Колумбийския университет, на което Волфганг Паули представил своята версия на общата теория на полето, разработена заедно с Вернер Хайзенберг. Присъстващият Нилс Бор никак не изглеждал впечатлен. Накрая станал от мястото си и казал: „Всички отзад сме убедени, че теорията ви е безумна. Не можем да решим обаче дали е достатъчно безумна.“^[5]

Паули моментално разбрал какво искал да каже Бор — че теорията Хайзенберг-Паули е прекалено конвенционална и обикновена, за да бъде обща теория на полето. За да се „прочете замисълът на Бог“, трябва да се разработят коренно различна математика и идеи.

Мнозина физици са убедени, че зад всичко съществува една проста, елегантна и убедителна теория, която въпреки това е достатъчно безумна и абсурдна, за да бъде вярна. Джон Уилър от Принстън посочва, че през XIX в. обясняването на огромното разнообразие на живота на Земята изглеждало безнадеждна задача, но след като Чарлс Дарвин предложил тезата си за естествения подбор, се появила една-единствена теория, представляваща необходимият за целта инструмент.

Нобеловият лауреат Стивън Уайнбърг използва друга аналогия. Според географските карти, описващи дръзките пътешествия на откривателите след Колумб, би трябвало да има „северен полюс“, но не съществувало пряко доказателство за това. На всяка карта на Земята на мястото на полюса зеела огромна празнина и затова първите откриватели просто приели, че полюсът съществува, макар че никой така и не отишъл там. Съвременните физици са като онези мореплаватели — откриват редица индиректни свидетелства за съществуването на всеобща теория, но не могат да стигнат до консенсус какво би трябвало да представлява тя.

История на струнната теория

Една от теориите, която несъмнено е „достатъчно безумна“, за да бъде обща теория на полето, е струнната теория, или М-теорията. Тя била открита съвсем случайно, приложена към неподходящ проблем, захвърлена като напълно безполезна и ненадейно съживена като „теория на всичкото“. И в последния си анализ — тъй като е невъзможно да се правят малки промени, без да се унищожи цялата теория — тя ще се окаже или „теория на всичкото“, или „теория на нищото“.

Причината за тази странна история се крие в това, че теорията е била разработвана отпред назад. Обикновено при теориите — като тази на относителността например — се започва с фундаменталните физични принципи. След това тези принципи се смилат до група основни класически уравнения. Накрая се изчисляват квантовите флуктуации на уравненията. Струнната теория се е развила наопаки, започвайки със случайното откриване на нейната квантова теория. Физиците и до днес се чудят на какви точно физични принципи се основава.

Произходът на струнната теория може да се проследи до 1968 г., когато двамата млади физици Габриеле Венециано и Махико Сузуки от Европейския център за ядрени изследвания (CERN) в Женева независимо един от друг разлиствали учебник по математика и попаднали на бета-функцията на Ойлер — забравен математически израз на Леонард Ойлер от XVIII в., който по една случайност сякаш се отнасял за света на елементарните частици. С огромна изненада открили, че абстрактната формула като че ли описва сблъсъка на два мезона с огромни енергийни заряди. Моделът на Венециано скоро се превърнал в истинска сензация и се появили стотици статии, опитващи се да го обобщят и да опишат ядрените сили.

С други думи, теорията била открита съвсем случайно. Едуард Уитън от Института за модерни изследвания (когото мнозина сочат като творческия двигател на много от зашеметяващите постижения на теорията) отбелязва: „По принцип физиците от XX в. не би трябвало да имат привилегията да се занимават с тази теория. По принцип струнната теория не би трябвало да има как да бъде разработена…“^[6]

Много добре си спомням какво оживление създаде появата на струнната теория. По онова време все още бях студент по физика в Калифорнийския университет в Бъркли. Няма да забравя как преподавателите клатеха глави и заявяваха, че по такъв начин наука не може да се прави. В миналото физиката обикновено се основавала на безкрайно подробни описания на заобикалящия ни свят, формулиране на няколко работни хипотези, внимателна проверка на идеите спрямо наличните данни и педантично повтаряне на процеса отново и отново. Струнната теория представляваше абсолютно интуитивен метод, основаващ се просто на познаването на верния отговор. Подобни спиращи дъха скокове не би трябвало изобщо да са възможни.

Тъй като субатомните частици не могат да се видят дори и с най-мощните микроскопи, за анализа им физиците разчитат на бруталния, но ефективен начин да ги смачкват чрез огромни количества енергия. Милиарди долари са похарчени за построяването на огромни „атомни разбивачи“ или ускорители на частици с много километри дължина, в които се създават лъчи от сблъскващи се една в друга субатомни частици. След опита физиците грижливо измерват останките от сблъсъка. Целта на този мъчителен процес е да се извлекат серии числа, наречени матрица на разпръсването, или S-матрица. Този набор числа е особено важен, тъй като съдържа в себе си цялата достъпна за физиката на елементарните частици информация — т.е., ако знаем S-матрицата, можем да изведем свойствата на частиците.

Една от целите на физиката на елементарните частици е да се предскаже математическата структура на S-матрицата за силните взаимодействия — толкова трудна задача, че някои физици я смятаха за непосилна. Можете да си представите каква сензация предизвикаха Венециано и Сузуки, когато просто разпознаха S-матрицата, ровейки се в стар учебник.

Моделът бил напълно различен от всичко познато до този момент. Обикновено когато някой предлага нова теория (като тази за кварките), учените започват да я човъркат, да променят някои прости параметри (като масата на частиците или силата на сливането). Моделът на Венециано бе толкова прецизно изработен, че и най-малкото нарушаване на основните му симетрии правеха на пух и прах цялата формула. Подобно на деликатно обработено парче кристал, всеки опит за промяна на формата й можеше да я пръсне на парчета.

От стотиците тривиални опити за промяна на параметрите й и оттук — за унищожаването на красотата й, днес не е оцелял нито един. Единствените, които все още се помнят, са опитите да се разбере защо изобщо работи тази теория — т.е., опитите да се разберат симетриите й. В Края на краищата физиците разбраха, че тази теория няма каквито и да било поддаващи се на настройка параметри.

Колкото и да е забележителен, моделът на Венециано също има няколко проблема. Първо, физиците разбраха, че той не представлява цялостна картина, а само едно приблизително решение на окончателната S-матрица. Бънджи Сакита, Мигуел Вирасоро и Кейджи Кикава (които тогава бяха в университета на Уисконсин) се досетиха, че S-матрицата може да се разглежда като безкрайна серия от елементи и че моделът на Венециано е само първият и най-важен елемент. (Най-общо казано всеки елемент в серията представлява броят начини, по които частиците могат да се сблъскат една с друга. Те постулираха някои от правилата, чрез които могат приблизително да се изградят по-висши елементи. В докторската си дисертация реших да завърша тази програма и да направя всички възможни корекции в модела на Венециано. Двамата с колегата ми Л. П. Ю успяхме да изчислим безкрайния набор коригиращи елементи към модела.)

Накрая Йоширо Намбу от Чикагския университет и Тецуо Гото от университета в Нихон идентифицираха ключовата характеристика, благодарение на която моделът работи — трептящата струна. (По същата тема работеха и Ленард Съскайнд и Холгър Нилсен.) Когато една струна се сблъсква с друга, тя създава описваната от модела на Венециано S-матрица. Според това виждане частицата не е нищо друго, освен трептене или нота на струна. (По-късно ще се спрем подробно на тази концепция.)

Нещата се развиваха бързо. През 1971 г. Джон Шварц, Андре Невьо и Пиер Рамон генерализираха струнния модел и включиха в него нов елемент, наречен спин, като по този начин го направиха реалистичен кандидат за взаимодействията между частиците. (Както ще видим, всички субатомни частици се въртят като миниатюрни пумпали. Стойността на спина в квантови единици е или цяло число като 0,1 или 2, или половин цяло число, като 1/2, 3/2 и т.н. Забележителното е, че струната на Невьо-Шварц-Рамон дава точно такива спинове.)

Това обаче не ме задоволяваше. Двойният резонансен модел, както го нарекоха, представляваше несвързана колекция от странни формули и изсмукани от пръстите правила. Цялата физика от последните сто и петдесет години се основаваше на „полета“, въведени за първи път от английския учен Майкъл Фарадей. Представете си магнитните линии, създадени от магнита. Тези силови линии изпълват целия космос, подобно на паяжина. Във всяка точка от пространството можем да измерим силата и посоката на магнитните силови линии. Подобно на тях, полето е математически обект, който приема различни стойности във всяка точка на пространството. Така полето ни дава силата на магнитната, електрическата и ядрената сила във всяка точка на вселената. Поради това фундаменталното описание на електричеството, магнетизма, ядрената сила и гравитацията се основава на полета. Защо струните да бъдат по-различни? Нужна бе една „полева теория на струните“, позволяваща да се обобщи цялото съдържание на теорията в едно-единствено уравнение.

През 1974 г. реших да се заема с този проблем. Заедно с Кейджи Кикава от университета в Осака успяхме успешно да извлечем полевата теория на струните. В едно съвсем кратко уравнение с дължина не повече от 3 см успяхме да обобщим цялата съдържаща се в струнната теория информация.^[7] След като формулирахме полевата теория на струните, трябваше да убедя научната общност в нейната сила и красота. През лятото на същата година участвах на една конференция по теоретична физика в центъра „Аспен“ в Колорадо и изнесох доклад пред малка, но подбрана група физици. Бях доста нервен — присъстваха Нобеловите лауреати Мъри Гелман и Ричард Файнман, прочути с навика си да задават резки и неудобни въпроси, които често караха говорещия да съжалява, че е взел думата. (По време на един свой доклад Стивън Уайнбърг начерта на черната дъска ъгъл и го означи с W в своя чест. Файнман веднага се поинтересува какво означава буквата. Уайнбърг понечи да отговори, когато Файнман изкрещя „Грешка!“ (Wrong!) и взриви аудиторията. Въпреки настъпилата веселба Уайнбърг все пак се смя последен. Ъгълът представляваше ключова част от теорията му, която обединяваше електромагнитното и слабото ядрено взаимодействие и която по-късно му донесе Нобелова награда.)

В изложението си подчертах, че полевата теория на струните може да даде най-простия и всеобхватен подход към струнната теория, която представляваше до голяма степен сбирщина от несвързани помежду си формули. С нашия подход струнната теория можеше да се опише с едно-единствено кратко уравнение. Всички свойства на модела на Венециано, всички елементи на безкрайната апроксимация на пертурбациите и всички свойства на въртящите се струни можеха да се извлекат от формула, която можеше да се напише и върху листче от курабийка с късметчета. Обърнах внимание на прекрасните симетрии на струнната теория, която я прави така мощна и приятна за окото. Когато се движат в континуума пространство-време, струните се носят по двуизмерни повърхности, приличащи на ивици. Теорията остава една и съща независимо какви координати използваме, за да опишем това двуизмерно пространство. Никога няма да забравя как след лекцията Файнман дойде при мен и ми каза: „Може и да не съм напълно съгласен със струнната теория, но докладът ви беше един от най-прекрасните, които съм слушал.“

Десетте измерения

Но едва поела по пътя си, струнната теория започна да се разнищва. Клод Ловелас откри, че в оригиналния модел на Венециано има малка математическа пукнатина, която може да се елиминира, ако континуумът пространство-време имаше двадесет и шест измерения. Освен това се оказа, че суперструнният модел на Невьо, Шварц и Рамон може да съществува само при наличието на десет измерения.^[8] Това шокира физиците. Подобно нещо бе невиждано в цялата история на науката. Никъде другаде не може да се намери теория, която сама да избира измеренията си. Теориите на Нютон и Айнщайн например могат да се формулират в каквото и да било измерение. Прочутата обратна квадратна сила на гравитацията например може да се преобразува в обратна кубична сила за четири измерения. А струнната теория можеше да съществува само при определено количество измерения.

От практична гледна точка това бе истинска катастрофа. Всеобщо се приемаше, че нашата вселена съществува в трите измерения на пространството (дължина, височина и ширина) и в четвъртото измерение на времето. Допускането на вселена с десет измерения означаваше, че теорията по-скоро трябва да се причисли към научната фантастика. Защитниците на теорията станаха обект на подигравки. (Джон Шварц си спомня как докато пътували в асансьора, Ричард Файнман ехидно го попитал: „Джон, в колко измерения живееш днес?“^[9]) Както и да се опитваха да спасят модела, той бързо се срина. Само заклетите ентусиасти продължиха да работят върху струнната теория — една нелека и твърде самотна задача по онова време.

Двама от ентусиастите, които продължиха да работят през онези мрачни години, бяха Джон Шварц от „Кал Тек“ и Жьоел Шерк от Висшето училище за естествени науки в Париж. Дотогава се смяташе, че струнният модел описва само силните ядрени взаимодействия. Съществуваше обаче един проблем — моделът предсказваше странна частица, която не се появяваше при силните взаимодействия, има нулева маса и две квантови единици спин. Всички опити да се отърват от досадната частица се проваляха. Всеки път когато някой се опитваше да я елиминира, моделът рухваше и губеше магическите си свойства. Сякаш тази нежелана от никого частица държеше цялата му тайна.

Шерк и Шварц направиха дръзкото предположение, че пукнатината в модела е може би истинска благословия. Ако непокорната частица със спин две се интерпретира като гравитон (частицата на гравитацията, която би трябвало да съществува според теорията на Айнщайн), тогава теорията включва в себе си теорията за гравитацията на Айнщайн! (С други думи, общата теория на относителността просто се появява като най-ниско трептене или нота на суперструната.) По ирония на съдбата, докато останалите квантови теории се мъчеха по всякакъв начин да избягват по какъвто и да било повод гравитацията, струнната теория настоява за наличието й. (Това всъщност е една от привлекателните й черти — гравитацията трябва да присъства, иначе теорията ще е непоследователна.) С този дързък ход учените разбраха, че струнният модел е бил прилаган към неподходящ проблем. Той не би трябвало да бъде просто теория на силните ядрени взаимодействия, а „теория на всичкото“. Както посочи Уитън, една от привлекателните черти на струнната теория е в това, че тя изисква наличието на гравитация. Докато стандартните теории на полето от десетилетия не можеха да включат гравитацията, за струнната теория тя е просто задължителна.

Въпреки това оригиналната идея на Шерк и Шварц продължи да бъде подминавана, без да й се обръща внимание. За да може теорията да опише едновременно гравитацията и света на елементарните частици, струните трябваше да бъдат с дължина едва 10^–33 (дължината на Планк), или с други думи — милиард милиарди пъти по-малки от протона. А това бе прекалено, за да се приеме от останалите учени.

Към средата на 80-те обаче другите опити да се достигне до обща теория на полето започнаха да се препъват. Теориите, опитващи се наивно да прикачват гравитацията към Стандартния модел, затъваха в тресавището на безкрайностите (които ще обясня съвсем накратко). Всеки път когато някой се опитваше да бракосъчетае насила гравитацията с другите квантови сили, се стигаше до математически противоречия, които убиваха теорията. (Айнщайн смятал, че може би при създаването на вселената Бог е нямал избор. Една от причините може да е в това, че съществува една-единствена теория, която е свободна от всички тези математически противоречия.)

Математическите противоречия са два основни вида. Първият е проблемът с безкрайностите. Обикновено квантовите флуктуации са нищожно слаби. Квантовите ефекти обикновено са само малки поправки към Нютоновите закони за движението. Ето защо можем в повечето случаи да ги игнорираме в нашия едромащабен свят — те са прекалено малки, за да се забелязват. Когато обаче в квантовата теория се включи и гравитацията, флуктуациите стават безкрайни, което е безсмислено. Второто математическо противоречие е свързано с „аномалиите“ — малки аберации в теорията, които се появяват, когато добавяме квантови флуктуации към дадена теория. Тези аномалии съсипват оригиналната симетрия на теорията и така я лишават по най-брутален начин от първоначалната й сила.

Представете си например конструктор на космически кораб, който трябва да проектира аеродинамично средство за безпрепятствено движение в атмосферата. Ракетата трябва да притежава безупречна симетрия, за да намали триенето на въздуха (в случая — цилиндрична симетрия, така че ракетата да остава една и съща както и да я завъртим по надлъжната ос). Такава симетрия се нарича O₍₂₎. Съществуват обаче два потенциални проблема. Първо, ракетата се движи с огромна скорост и в крилете й могат да започнат вибрации. Обикновено те са прекалено слаби за движещите се под звуковата бариера самолети. При пътуването със свръхзвукови скорости обаче тези флуктуации стават все по-интензивни и са способни да откъснат крилото. Подобни дивергенции тормозят всяка квантова теория на гравитацията. Обикновено те са прекалено малки и могат да се пренебрегнат, но при квантова теория на гравитацията направо ви избухват в лицето.^[10]

Вторият проблем е свързан с появата на пукнатини по корпуса на ракетата. Те разрушават първоначалната O₍₂₎ симетрия и макар отначало да са малки, могат да се увеличат и да разкъсат корпуса. Подобни „пукнатини“ са в състояние да унищожат и симетриите в теорията на гравитацията.

Има два начина за решаването на тези проблеми. Единият е да се намери решение тип „Бърза помощ“ — пукнатините да се закърпят, крилете да се подсилят с шини и да се надяваме, че ракетата няма да гръмне в атмосферата. Повечето физици постъпват именно така при опитите си да бракосъчетаят гравитацията с квантовата теория. Опитват се да замажат проблемите. Вторият начин е всичко да се започне отначало — с нова форма и нови екзотични материали, способни да издържат на изпитанията на пътуването в космоса.

Физиците прекараха десетилетия в опити да закърпят квантовата теория на гравитацията само за да открият, че безнадеждно се оплитат във все повече отклонения и аномалии. Постепенно учените започнаха да разбират, че решението е да загърбят подхода на „Бързата помощ“ и да изградят напълно нова теория.^[11]

Победоносната струна

През 1984 г. нещата около струнната теория коренно се промениха. Джон Шварц от „Кал Тек“ и Майк Грийн от колежа „Куин Мери“ в Лондон показаха, че струнната теория не страда от всички онези противоречия, обезсмислили толкова много други теории. Физиците вече знаеха, че в струнната теория няма математически дивергенции. Шварц и Грийн обаче показаха, че в нея липсват и аномалии. В резултат на това струнната теория се превърна в основен (а днес и единствен) кандидат за теория на всичкото.

Най-неочаквано теорията, смятана за отдавна мъртва, възкръсна и от „теория на нищото“ се превърна в „теория на всичкото“. Безброй физици отчаяно се опитваха да прочетат статиите за струнната теория. От изследователски лаборатории по цял свят се понесоха лавини от нови публикации. Старите материали, събирали прах по библиотеките, внезапно станаха хитове. Идеята за паралелни вселени, смятана навремето за прекалено смахната, за да бъде приемлива, сега стана основна тема на стотици конференции и десетки хиляди публикации.

(В един момент нещата излязоха от контрол, когато някои физици заболяха от „нобелова треска“. През август 1991 г. списание „Дискавър“ дори излезе със сензационното заглавие „Новата теория на всичкото — учен се справя с върховната загадка на вселената“. В статията се цитираше един физик, втурнал се с всички сили по пътя към славата. „Нямам намерение да бъда скромен. Ако нещата проработят, ще спечеля Нобеловата награда“^[12], гръмко заявяваше той. Когато критиците изтъкнаха, че струнната теория все още се намира в бебешката си фаза на развитие, той презрително отвърна: „Най-големите светила казват, че ще са нужни четиристотин години, за да се докаже теорията. Аз пък им казвам да си затварят устата.“)

Треската за злато бе в разгара си.

В крайна сметка се стигна до реакция срещу „печелившия вагон“. Един физик от Харвард подигравателно изтъкна, че струнната теория изобщо не е дял от физиката, а по-скоро на чистата математика, философия, а защо не и религия. Нобеловият лауреат Шелдън Глашоу от Харвард пое атаката, сравнявайки печелившия вагон на суперструнната теория с програмата „Звездни войни“ (която погълна огромни средства и въпреки това никога не може да бъде проверена). Глашоу заяви, че всъщност страшно се радва, че толкова много млади физици работят върху струнната теория, защото това осигурявало място на наследника му. Когато го запитаха за коментара на Уитън, че струнната теория може да се окаже господстващата теория във физиката за следващите петдесет години подобно на квантовата механика за изминалия половин век, той отвърна, че струнната теория ще доминира във физиката по същия начин, по който доминираше и теорията на Калуза-Клайн (която смята за „смахната“) — с други думи, никак. Глашоу се опита да държи привържениците на струнната теория по-далеч от Харвард, но следващото поколение физици не последваха примера му и скоро самотният глас на Нобеловия лауреат заглъхна. (Оттогава в Харвард постъпиха неколцина млади теоретици.)

Космическата музика

Някога Айнщайн бе казал, че ако една теория не е в състояние да предложи физическо изображение, разбираемо и за дете, то тя е по всяка вероятност безполезна. За щастие зад струнната теория има много проста физическа картина, основана на музиката.

Според струнната теория, ако разполагахме с някакъв съвършен микроскоп, позволяващ ни да надзърнем в сърцето на електрона, ще видим не голяма колкото точка частица, а трептяща струна. (Която е изключително къса — дължината й е 10^–33 см, или дължината на Планк, поради което всички субатомни частици изглеждат като точки.) Ако дръпнем струната, трептенето й ще се промени и неутронът може да се превърне в неутрино. Дърпаме я отново и вместо неутрино получаваме кварк. Всъщност ако продължаваме да дърпаме достатъчно упорито струната, ще получим всяка известна елементарна частица. Така струнната теория може лесно да обясни огромния брой частици. Те не са нищо друго, освен различни „ноти“, които могат да се изсвирят на суперструната. Ще дам за сравнение струната на цигулка — за нея нотите ла, си или до не са фундаментални. Можем да получим всички ноти от гамата, просто като дърпаме струната по различни начини. Например си не е по-фундаментална от сол. Всички те не са нищо друго, освен ноти на струната на цигулката. По същия начин фундаментални са не електроните и кварките, а самата струна. Всъщност всички елементарни частици във вселената могат да се разглеждат просто като различни вибрации на струната. А законите на физиката са „хармониите“ на струната.

Струните могат да си взаимодействат, като се разделят и свързват отново, като по този начин създават взаимодействията, които наблюдаваме между електроните и протоните в атомите. Така чрез струнната теория можем да възпроизведем всички закони на атомната и ядрената физика. „Мелодиите“, които могат да се възпроизведат със струните, съответстват на законите на химията. Така вселената може да се разглежда като една огромна симфония за струнни инструменти.

Струнната теория обяснява не само частиците на квантовата теория като музикални ноти на вселената, но и теорията на относителността на Айнщайн — най-ниското трептене на струната, или частицата със спин 2 и нулева маса, може да се интерпретира като гравитон — частица или квант на гравитацията. Ако изчислим взаимодействията между тези гравитони, ще получим точно старата теория на Айнщайн за гравитацията, но в квантова форма. Когато се движи, прекъсва и променя, струната ограничава неимоверно континуума пространство-време. Когато анализираме това ограничаване, отново ще открием старата обща теория на относителността. Така струнната теория спретнато обяснява теорията на Айнщайн без допълнителни средства. Едуард Уитън изтъкна, че ако Айнщайн не бе открил теорията на относителността, неговата теория би го направила като страничен продукт на струнната теория. В известен смисъл общата теория на относителността не е свободна.

Красотата на струнната теория е в това, че може да се оприличи на музика. Музиката осигурява метафората, с чиято помощ сме в състояние да разберем вселената както на субатомно, така и на космическо ниво. Както пише известният цигулар Йехуди Менухин, „музиката създава ред от хаоса — ритъмът налага единодушие над разногласията, мелодията — приемственост в разпокъсаността, а хармонията — съвместимост сред противоречията“^[13].

Айнщайн бе писал, че търсенето на обща теория на полето в крайна сметка ще му позволи да „прочете замисъла на Бог“. Ако струнната теория е вярна, днес ние виждаме, че замисълът на Бог представлява космическа музика, звучаща в десетизмерно хиперпространство. Както отбелязва Готфрид Лайбниц, „музиката е скритото математическо упражнение на душата, която не осъзнава, че изчислява“^[14].

Исторически връзката между музиката и науката била установена някъде около V в. пр.Хр., когато питагорейците открили законите на хармонията и ги описали математически. Те забелязали, че издаваният от лирата тон съответства на дължината на струната. Ако дължината се удвои, тонът пада с цяла октава. Ако се скъси с две трети, тонът се качва с една пета. Така законите на музиката и хармонията могат да се сведат до точни числови съотношения. Нищо чудно, че мотото на питагорейците било „Всички неща са числа“. Отначало те били толкова доволни от получения резултат, че се опитали да приложат законите на хармонията към цялата вселена. Опитът им се провалил поради изключително сложното устройство на материята. Все пак в известен смисъл физиците се връщат към тяхната мечта с помощта на струнната теория.

Коментирайки тази историческа връзка, Джейми Джеймс отбелязва: „Музиката и науката били идентифицирани една с друга толкова дълбоко в миналото, че всеки, който смятал, че помежду им съществува съществена разлика, бил смятан за невежа. Ако днес някой се осмели да каже, че между тях има нещо общо, рискува да бъде сметнат за простак от едната група и за дилетант от другата. А най-лошото е, че и двете страни ще го заклеймят като популяризатор.“^[15]

Проблеми на хиперпространството

Но ако наистина по-висшите измерения съществуват не само в математиката, а и около нас, тогава привържениците на струнната теория трябва да се изправят пред същите проблеми, които измъчвали Теодор Калуза и Феликс Клайн през 1921 г., когато формулирали първата многомерна теория — къде са тези други измерения?

Никому неизвестният дотогава математик Калуза писал на Айнщайн с предложението да формулира уравненията му в пет измерения (едно за времето и четири за пространството). От математическа гледна точка това не представлявало проблем, тъй като уравненията на Айнщайн спокойно могат да се изведат за произволен брой измерения. В писмото обаче имало едно стряскащо наблюдение — ако съдържащите се в петмерните уравнения четиримерни части се премахнат, автоматично ще се получи теорията за светлината на Максуел! С други думи, теорията на Максуел за електромагнитната сила изскача направо от уравненията на Айнщайн за гравитацията — достатъчно е просто да добавим още едно измерение. Макар и да не можем да видим петото измерение, в него се образуват вълни, които съответстват на светлинните! Това е много благодатен резултат, тъй като поколения физици и инженери през последните 150 години трябва да наизустяват трудните уравнения на Максуел. А сега сложните формули се появяват съвсем лесно като най-обикновени трептения в петото измерение.

Представете си риба в плитък басейн, плуваща непосредствено под водните лилии, за която „вселената“ има само две измерения. Нашият триизмерен свят ще бъде недосегаем за нея. Съществува обаче начин, по който рибата може да долови наличието на третото измерение. Ако завали, тя ясно ще види сенките на вълничките по повърхността на езерото. По същия начин ние не сме в състояние да видим петото измерение, но възприемаме неговите вълнички като светлина.

(Теорията на Калуза била прекрасна и представлявала истинско откровение по отношение на силата на симетрията. По-късно бе показано, че ако добавим още измерения към старата теория на Айнщайн и ги накараме да трептят, ще получим W– и Z-бозоните и глуоните от слабото и силното ядрено взаимодействие! Ако защитаваната от Калуза теза била вярна, тогава вселената очевидно щяла да се окаже далеч по-проста, отколкото се мислело дотогава. Просто вибриращите измерения пораждат силите, управляващи нашия свят.)

Шокираният Айнщайн решил, че резултатът е прекалено хубав, за да бъде верен. По-късно в теорията на Калуза започнали да се появяват проблеми, които в крайна сметка я направили безполезна. Първо, тя била изпълнена с дивергенции и аномалии, което е типично за квантовите теории на гравитацията. Второ, налице бил и далеч по-обезпокоителният въпрос защо не виждаме петото измерение. Когато изстрелваме стрели в небето, те не изчезват в някакво друго измерение. Да вземем дима, който постепенно обхваща цялото пространство. Той никога не е бил забелязван да изчезва в по-висше измерение и затова физиците разбрали, че ако съществуват изобщо, тези други измерения трябва да бъдат много по-малки от атома. През изминалия век мистици и математици бяха обсебени от по-висшите измерения, но за разлика от тях физиците отхвърлиха идеята с презрение, тъй като никой не е наблюдавал тела да навлизат в тях.

За да спасят теорията, учените трябваше да приемат, че тези по-висши измерения са толкова малки, че не могат да се наблюдават. Тъй като нашият свят има четири измерения, това означава, че петото трябва да бъде свито в кръг с диаметър по-малък от атом — прекалено малък, за да се наблюдава експериментално.

Струнната теория се изправя пред същия проблем. Налага ни се да свием тези нежелани нови измерения в мъничко топче (процес, наречен компактификация). Според струнната теория вселената първоначално е била десетизмерна и всички сили са били обединени в една струна. Това десетизмерно хиперпространство обаче било нестабилно и шест от измеренията започнали да се свиват в малкото топче, оставяйки останалите четири да се разширяват при Големия взрив. Причината да не можем да видим останалите измерения е в това, че те са много по-малки от атом и затова в тях не може да проникне нищо. (Например отдалеч градинският маркуч и сламката изглеждат едномерни, притежаващи единствено дължина. Ако обаче ги разгледаме отблизо ще открием, че всъщност те представляват двуизмерни повърхности или цилиндри, но второто измерение е свито и затова не се вижда.)

Защо точно струни

Макар че предишните опити за формулиране на обща теория на полето се провалиха, струнната теория устоя на всички предизвикателства. На практика тя няма съперник. Има две причини, поради които теорията успя там, където редица други претърпяха поражение.

Първо, като основаваща се на издължен обект (струна) теория, тя избягва много от дивергенциите, свързани с частиците точки. Както забелязва още Нютон, гравитационната сила около частицата точка става безкрайна с нашето приближаване към нея. (Според прочутия обратно квадратичен закон силата на гравитацията расте като l/r², така че клони към безкрайност с приближаването до точката — т.е., когато r стане равно на нула, гравитацията става 1/0, което е безкрайност.)

Силата си остава безкрайна при приближаването до частицата точка и при квантовата теория. През изминалите десетилетия Файнман и редица други създадоха серия заплетени правила, целящи да потулят тези и редица други видове отклонения. Но за квантовата теория на гравитацията дори всички фокуси на Файнман са недостатъчни, за да разрешат проблема с безкрайностите. Проблемът е в това, че частиците точки са безкрайно малки, а това означава, че техните сили и енергии потенциално са също такива.

Ако разгледаме обстойно струнната теория, ще открием два механизма, които могат да елиминират тези дивергенции. (Грубо казано струната има определена дължина и това означава, че силите не клонят към безкрайност с приближаването към нея. При самата струна силите могат да растат до l/L², където L е дължината на струната, която е от порядъка на дължината на Планк, или 10^–33 см. Именно тя прекъсва дивергенциите.) Тъй като струната не е частица-точка, а има определен размер, може да се покаже, че дивергенциите се „размазват“ по нея и така всички физични величини стават крайни.

Макар и да изглежда интуитивно ясно, че дивергенциите на струнната теория са крайни, точното математическо изразяване на този факт е доста трудно и се прави чрез „елиптична модуларна функция“ — една от най-странните функции в математиката. Историята й е толкова необичайна, че заема ключова роля в холивудския филм „Добрият Уил Хънтинг“. Филмът разказва за едно грубо необразовано хлапе (чиято роля е изиграна от Мат Деймън) от работническите квартали на Кембридж, което показва необичаен математически талант. Когато не се бие с местните здравеняци, момчето работи като чистач в Масачузетския технологичен институт. Професорите от института с огромна изненада откриват, че уличният побойник всъщност е математически гений, способен просто ей така да намира отговорите на смятани за нерешими математически проблеми. Когато научава, че чистачът сам-самичък е изучил висшата математика, един от тях възкликва, че са открили „следващия Рамануджан“.

Всъщност „Добрият Уил Хънтинг“ е в общи линии основан на живота на Рамануджан — най-големият математически гений на XX в., израснал в бедност в Мадрас, Индия. Живеейки в изолация, той успял самостоятелно да повтори по-голямата част от постиженията на европейската математика от XIX в. Кариерата му била като на свръхнова, за кратко озарила небесата. Рамануджан починал трагично на тридесет и седем годишна възраст, болен от туберкулоза. Подобно на Мат Деймън в „Добрият Уил Хънтинг“, Рамануджан мечтаел да открие уравнение (в този случай елиптичната модуларна функция), притежаващо странни и прекрасни свойства, но само в пространство с двадесет и четири измерения. Математиците все още се опитват да дешифрират „изгубените записки на Рамануджан“, намерени след смъртта му. Връщайки се към труда на индийския гений, ние виждаме, че той може да се преработи и за осем измерения и да се приложи пряко към струнната теория. Учените добавят още две измерения, за да конструират физичната теория. (Например при поляризираните слънчеви очила се използва фактът, че светлината има две поляризации — тя може да трепти отляво надясно и отгоре надолу. Математическото формулиране на светлината в уравненията на Максуел обаче се състои от четири компонента. Две от тези вибрации всъщност са добавени допълнително.) Когато добавим още две измерения към функциите на Рамануджан, „магическите числа“ на математиката стават 10 и 26 — също като „магическите числа“ на струнната теория. Така че в известен смисъл можем да кажем, че Рамануджан е разработвал струнната теория още преди Втората световна война.

Прочутите свойства на тези елиптични модуларни функции обясняват защо теорията трябва да съществува в десет измерения. Само тогава като чрез магия изчезват повечето от гибелните за другите теории дивергенции. Но сама по себе си топологията на струните не е достатъчна за елиминирането на всички дивергенции. Останалите изчезват благодарение на втората характеристика на струнната теория — нейната симетрия.

Суперсиметрия

Струната притежава една от най-големите известни на науката симетрии. В 4 глава при обсъждането на инфлационната теория и Стандартния модел видяхме, че симетрията ни дава красив начин, по който да подредим субатомните частици в приятни и елегантни редици. Трите типа кварки могат да се подредят според симетрията SU₍₃₎, при която се обменят три кварка. Смята се, че във Великата обща теория петте типа кварки и лептони могат да се наредят според симетрията SU₍₅₎.

В струнната теория тези симетрии унищожават оставащите дивергенции и аномалии. Тъй като симетриите са сред най-красивите и мощни средства, с които разполагаме, може да се очаква, че една всеобхватна теория за вселената трябва да притежава най-елегантната и мощна симетрия, позната на науката. Логическият избор е симетрия, която разменя не само кварки, но и всички съществуващи в природата частици — т.е., уравненията остават едни и същи, дори и да разбъркаме всички елементарни частици. Това съвсем точно описва симетрията на суперструната, наречена суперсиметрия.^[16] Това е единствената симетрия, при която е възможна взаимната размяна на всички известни на физиката елементарни частици. С това свое качество суперсиметрията е идеалният кандидат за симетрия, подреждаща всички частици във вселената в едно-единствено и елегантно цяло.

Ако разгледаме силите и частиците във вселената ще видим, че всички те попадат в две категории в зависимост от спина — „фермиони“ и „бозони“ и действат като миниатюрни пумпали, способни да се въртят с различни скорости. Например фотонът — частицата на светлината, която е носител на електромагнитната сила — има спин 1. Слабото и силното ядрено взаимодействие се осъществяват от W-бозони и глуони, които също имат спин 1. Гравитонът, или частицата на гравитацията, е със спин 2. Всички тези частици, при които спинът е цяло число, се наричат бозони. Частиците на материята се описват с елементарни частици, при които спинът е половина от цяло число — 1/2, 3/2, 5/2 и т.н. Те се наричат фермиони и към тях се отнасят електронът, неутриното и кварките. Така суперсиметрията е елегантен начин за представяне на дуалността между бозони и фермиони, между силите и материята.

В една суперсиметрична теория всяка субатомна частица си има партньор — на всеки фермион съответства бозон. Макар и да не са в състояние да видят тези суперсиметрични двойки, учените са кръстили партньора на електрона селектрон, притежаващ спин 0. (Добавеното „s“ има за цел да опише суперпартньора на дадена частица.) При слабите взаимодействия участват частици, наречени лептони. Техните суперпартньори са слептони. По същия начин кваркът може да има партньор със спин 0, наречен скварк. В общи линии партньорите на известните частици (кварки, лептони, гравитони, фотони и т.н.) се наричат s-частици или суперчастици. Тези s-частици тепърва предстои да бъдат открити в нашите ускорители (които може би все още не са достатъчно мощни, за да могат да ги създадат).

Тъй като всички субатомни частици са фермиони или бозони, една суперсиметрична теория има потенциала да ги обедини всички в една проста симетрия. Сега разполагаме със симетрия, способна да включи в себе си цялата вселена.

Да вземем например една снежинка. Нека всеки от шестте й лъча да представлява субатомна частица, като единия лъч е бозон, а следващият — фермион. Красотата на тази „суперснежинка“ е в това, че когато я въртим, тя остава една и съща. Така суперснежинката обединява всички частици и техните s-частици. Така че ако се опитваме да конструираме една хипотетична обща теория на полето, в която участват само шест частици, естественият кандидат би трябвало да е суперснежинката.

Суперсиметрията ни помага да елиминираме оставащите безкрайности, които са фатални за другите теории. Вече споменахме, че повечето дивергенции се елиминират заради топологията на струната — т.е. поради факта, че тя има крайна дължина и това не позволява на силите да клонят към безкрайност при приближаването към нея. Ако разгледаме останалите дивергенции ще видим, че те са два типа и са породени от взаимодействията между бозони и фермиони. Тези две съставки обаче винаги се появяват с обратни стойности и затова приносът на бозона се унищожава от този на фермиона! С други думи, тъй като бозоните и фермионите са винаги с обратни знаци, оставащите безкрайности взаимно се унищожават. Така че суперсиметрията е нещо повече от красива премяна. Тя не само доставя удоволствие, защото обединява всички частици във вселената, но и анулира дивергенциите на струнната теория.

Да се върнем на аналогията с ракетата, при която вибрациите могат в крайна сметка да откъснат крилете й. Едно от решенията е да използваме мощта на симетрията и да преработим крилете така, че вибрациите на едното да се унищожават от вибрациите на другото. Когато едното крило трепти по часовниковата стрелка, другото трепти в обратната посока и така двете трептения се унищожават взаимно. Така симетрията на ракетата е не само изкуствена и артистична изработка, а играе жизненоважна роля за анулирането и уравновесяването на напрежението върху крилете. По същия начин суперсиметрията анулира дивергенциите чрез взаимното унищожаване на бозони и фермиони.

(Освен това суперсиметрията решава и серия чисто технически проблеми, които са фатални за една GUT-теория.^[17] Сложните математически противоречия в нея просто изискват суперсиметрия, която да е в състояние да ги елиминира.)

Въпреки че суперсиметрията е изключително мощен инструмент, все още не съществуват абсолютно никакви експериментални доказателства, които да подкрепят съществуването й. Може би това се дължи на факта, че суперпартньорите на познатите ни електрони и протони са просто прекалено масивни, за да бъдат получени в съвременните ускорители на частици. Съществува обаче един сериозен довод в полза на съществуването на суперсиметрията. Знаем, че стойностите на трите квантови сили са прекалено различни. Всъщност при по-ниски енергии силното ядрено взаимодействие е тридесет пъти по-мощно от електромагнетизма. Това обаче невинаги е било така. Смятаме, че в момента на Големия взрив стойностите на трите сили са били еднакви. Като тръгват от сегашното положение, учените могат да изчислят какви са били стойностите на трите сили в началото на времето. При анализиране на Стандартния модел се оказва, че непосредствено след Големия взрив трите сили като че ли се сливат. Стойностите им обаче не са абсолютно еднакви. С прибавянето на суперсиметрията обаче трите сили си пасват идеално и са с еднакви величини — точно както би трябвало да бъде според една обща теория на полето. Макар и да не съществува пряко доказателство за суперсиметрията, това показва, че тя е най-малкото съвместима с известните ни физични принципи.

Стойностите на силното и слабото ядрено взаимодействие и на електромагнетизма са много различни помежду си. В близост до Големия взрив обаче тези стойности съвпадат идеално. Това се получава, ако имаме суперсиметрична теория. Така суперсиметрията може да се окаже ключов елемент за всяка обща теория на полето.

Извеждане на Стандартния модел

Въпреки че суперструните нямат никакви поддаващи се на настройка параметри, струнната теория може да предложи решения, които са поразително близки до Стандартния модел с неговата пъстра колекция от странни субатомни частици и деветнадесет свободни параметъра (като масата на частиците и силата на взаимодействие между тях). Освен това Стандартният модел има три идентични и прекалено раздути копия на всички кварки и лептони, което изглежда напълно ненужно. За щастие струнната теория е в състояние да изведе безпроблемно много от добрите качества на Стандартния модел. Все едно да получиш нещо безплатно. През 1984 г. Филип Канделас от Тексаския университет, Гари Хоровиц и Андрю Строминджър от Калифорнийския университет в Санта Барбара и Едуард Уитън показаха, че ако се огънат шест от десетте измерения на струнната теория и все пак суперсиметрията в останалите четири се запази, малкият шестизмерен свят може да се опише чрез т.нар. математически многообразия на Калаби-Яу. С няколко прости избора на пространства на Калаби-Яу те показаха, че симетрията на струната може да се сведе до теория, която е поразително близка до Стандартния модел.

Така струнната теория ни дава прост отговор защо Стандартният модел има три раздути поколения. В струнната теория броят на поколенията в кварковия модел е свързан с броя на „отворите“, които имаме в многообразията на Калаби-Яу. (Например поничката, тръбата и чашата за чай са повърхности с един отвор. Повърхностите на Калаби-Яу могат да имат произволен брой отвори.) Така е достатъчно да се избере подходящото пространство на Калаби-Яу с нужния брой отвори, за да получим Стандартен модел с различни поколения кварки. (Ние не можем да видим пространството на Калаби-Яу, тъй като е прекалено малко, поради което не виждаме и факта, че в него има отвори.) През изминалите години редица екипи усърдно се опитваха да каталогизират всички възможни пространства Калаби-Яу и си дадоха сметка, че топологията на това шестизмерно пространство определя кварките и лептоните в нашата четириизмерна вселена.

М-теорията

Започналото през 1984 г. въодушевление около струнната теория не можеше да продължи много дълго. Към средата на 90-те локомотивът постепенно започна да губи скорост. Лесните проблеми, пред които се изправяше теорията, бяха елиминирани един по един, а тежките бяха загърбени. Един от тях се състои във факта, че бяха открити милиарди решения на струнните уравнения. При свиването на континуума пространство-време по различни начини можеха да се намерят решения за произволен брой измерения, а не само за четири. Всяко от милиардите решения съответстваше на математически самостоятелна и обособена вселена.

Изведнъж стана така, че физиците започнаха да се давят в изобилието от решения. Забележително е, че много от тези решения изглеждат много подобни на нашата вселена. При подходящ избор на пространство на Калаби-Яу ставаше сравнително лесно да се получат много от основните характеристики на Стандартния модел с неговата странна колекция от кварки и лептони и дори с раздутия набор от копия. Оказа се обаче, че е изключително трудно (и си остава такова и до наши дни) да се намери Стандартният модел със специфичните стойности на неговите деветнадесет параметъра и три поколения. (Умопомрачителният брой решения всъщност бе посрещнат добре от приемащите идеята за мултивселената физици, тъй като всяко решение представлява напълно самостоятелна и обособена паралелна вселена. Тревожното обаче бе, че сред тази джунгла от вселени учените не могат да открият параметрите на нашата собствена.)

Една от причините за тази толкова голяма трудност се състои в това, че се налага в крайна сметка да се наруши суперсиметрията, тъй като ние не я наблюдаваме в нашия нискоенергиен свят. Например не можем да видим селектрона — суперпартньора на електрона. Ако суперсиметрията остане непокътната, масата на всяка частица би трябвало да се явява на масата на нейната суперчастица. Физиците смятат, че суперсиметрията е нарушена и в резултат на това масите на суперчастиците са огромни и далеч надхвърлят възможностите на сегашните ускорители. Но и до днес никой не е намерил надежден механизъм за нарушаване на суперсиметрията.

Дейвид Грос от Института за теоретична физика „Калви“ в Санта Барбара отбелязва, че съществуват милион милиона решения на струнната теория при три пространствени измерения, което е донякъде обезкуражаващо, тъй като няма добър начин да се избере подходящото.

Налице са и други пораждащи неудобство въпроси. Най-неприятният от тях е фактът, че съществуват пет обособени струнни теории. Трудно е да си представим, че вселената би толерирала пет отделни общи теории на полето. Айнщайн смятал, че при създаването на вселената Бог не е имал избор. Защо тогава е трябвало да създава цели пет?

Оригиналната теория, основана на формулата на Венециано, описва т.нар. суперструнна теория от първи тип. При нея има отворени (с два края) и затворени (кръгли) струни. Именно тази теория бе развивана най-интензивно през 70-те. (С помощта на струнната теория на полето двамата с Кикава успяхме да обособим пълния набор от взаимодействия на струните от първи тип. Показахме, че те са пет. За затворените струни е необходимо само едно взаимодействие.)

Струните от първи тип могат да претърпят пет вида взаимодействия, при които се прекъсват, обединяват и разделят. За затворените струни е необходимо само последното взаимодействие (наподобяващо деленето на клетка).

Заедно с Кикава показахме също, че е възможно да получим напълно обособени теории, в които има само затворени струни. Днес тези теории се наричат струнни теории от втори тип, при които струните си взаимодействат чрез разделяне на две по-малки струни (подобно на деленето на клетка).

Най-реалистичната струнна теория се нарича хетеротична и е формулирана от Принстънската група (в която влизат Дейвид Грос, Емил Мартинек, Райън Ром и Джефри Харви). Хетеротичните струни могат да съдържат симетрични групи, наречени E₍₈₎ x E₍₈₎ или O₍₃₂₎, които са достатъчно големи, за да погълнат която и да е GUT-теория. Хетеротичната струнна теория се основава изцяло на затворени струни. Когато през 80-те и 90-те учените говореха за суперструна, те всъщност имаха предвид хетеротична струна, тъй като тя бе достатъчно добра, за да позволи анализа на Стандартния модел и GUT-теориите. (Например симетричната група E₍₈₎ x E₍₈₎ може да се сведе до E₍₈₎ и после до E₍₆₎, която е достатъчна да включи в себе си симетрията SU₍₃₎ x SU₍₂₎ x U₍₁₎ на Стандартния модел.)

Загадката на супергравитацията

Освен петте суперструнни теории, съществува още един обезпокоителен въпрос, останал нерешен през 70-те години. През 1976 г. Петер ван Ньовенхойзен, Серджо Ферара и Даниел Фрийдман от Щатския университет на Ню Йорк в Стоуни Брук откриха, че оригиналната теория на гравитацията на Айнщайн ще стане суперсиметрична, ако се въведе само едно ново поле — суперпартньор на оригиналното гравитационно поле (наречено гравитино, или „малък гравитон“ със спин 3/2). Тази нова теория бе наречена супергравитация и се основава не на струни, а на частици-точки. За разлика от суперструната с нейната безкрайна секвенция от ноти и резонанси, супергравитацията има само две частици. През 1978 г., Йожен Гремер, Жоел Шерк и Бернар Юлия от Висшето училище за естествени науки показаха, че най-общата супергравитация може да се опише в единадесет измерения. (Ако се опитаме да изведем теория за супергравитацията за дванадесет или тринадесет измерения, ще се появят математически противоречия.) В края на 70-те и началото на 80-те се смяташе, че супергравитацията може да се окаже прословутата обща теория на полето. Това дори вдъхнови Стивън Хокинг да заговори за „края на теоретичната физика“ във встъпителната си лекция като Лукасов професор по математика в Кембридж — постът, заеман някога от Исак Нютон. Но не след дълго супергравитацията се натъкна на същите тежки проблеми, които бяха сложили край на предишните теории. Макар да има по-малко безкрайности от обикновените теории на полето, при финалния анализ супергравитацията не беше крайна и потенциално бе пълна с аномалии. Подобно на всички останали теории на полето (с изключение на струнната), тя също се провали с гръм и трясък.

Друга суперсиметрична теория, която може да съществува в единадесет измерения, е супермембранната теория. Докато струната има само едно измерение, което се определя от дължината й, супермембраната може да има две или повече измерения, тъй като представлява повърхност. Показано бе, че единадесет измерения могат да съществуват два обособени типа мембрани (двойна и петорна).

При супермембраните обаче също се сблъскваме с проблеми — те са пословично трудни за работа и квантовите им теории на практика се различават. Докато струните на цигулката са толкова прости, че още преди две и половина хилядолетия питагорейците са успели да формулират законите на хармонията, мембраните са толкова трудни, че и до днес никой не е успял да изгради основана на тях задоволителна теория на музиката. На всичкото отгоре се оказа, че мембраните са Нестабилни и в крайна сметка се разпадат на частици-точки.

И така, към средата на 90-те физиците бяха изправени пред няколко загадки. Защо съществуват пет струнни теории в десет измерения? И защо има две теории в единадесет измерения, супергравитация и супермембрани? Още повече, че всички те притежаваха суперсиметрия.

Единадесетото измерение

През 1994 г. избухна истинска бомба. Отново бе направено откритие, което промени всичко из основи. Едуард Уитън и Пол Таунсенд от Кембридж откриха математически, че всъщност десетизмерната струнна теория представлява приблизително решение на една по-висша и загадъчна единадесетизмерна теория с неизвестен произход. Така например Уитън показа, че ако вземем една мембранна теория за единадесет измерения и свием едно от тях, ще получим десетизмерна струнна теория от тип IIa!

Не след дълго се оказа, че всичките пет струнни теории могат да се окажат всъщност едно и също — различни апроксимации на една и съща загадъчна единадесетизмерна теория. Тъй като в единадесет измерения могат да съществуват различни видове мембрани, Уитън нарече тази теория М-теория. Тя не само обединяваше петте различни струнни теории, но и като бонус обясняваше мистерията на супергравитацията.

Ако си спомняте, супергравитацията е единадесетизмерна теория, съдържаща само две частици с нулева маса — оригиналния гравитон на Айнщайн и неговия суперсиметричен партньор (гравитино). При М-теорията имаме безкраен брой частици с различни маси (съответстващи на безкрайно многото трептения, които може да издаде единадесетизмерна мембрана). М-теорията обаче може да обясни съществуването на супергравитацията, ако приемем, че една малка част от теорията (отнасяща се единствено за частиците без маса) е всъщност старата теория за супергравитацията. С други думи, супергравитацията е малко подмножество на М-теорията. По същия начин, ако вземем тази загадъчна единадесетизмерна теория и свием едно от измеренията, мембраната ще се превърне в струна — всъщност именно в струнна теория от втори тип! Например, ако вземем една сфера с единадесет измерения и свием едно от тях, сферата ще колапсира и екваторът й ще се превърне в затворена струна. Виждаме, че струнната теория може да се разглежда като сечение на мембрана с единадесет измерения, от които едното е свито в малък кръг.

Така намираме прекрасен и прост начин да обединим цялата десет– и единадесетизмерна физика в една-единствена теория! Това бе невероятно добра проява на концептуална находчивост.

Все още си спомням шока, създаден от епохалното откритие. Точно тогава изнасях лекция в Кембридж. Пол Таунсенд бе така добър да ме представи на аудиторията. Точно преди да започна, той с голямо въодушевление обясни новия резултат, според който различните струнни теории могат да се обединят в една теория с единадесет измерения. В заглавието на лекцията ми се споменаваше десетото измерение. Таунсенд сподели, че ако резултатът се окаже верен, лекцията ми може би ще бъде безсмислена.

Като отсечем или свием едно от измеренията на единадесетизмерна мембрана, ще получим десетизмерна струна. След колапсирането на едно от измеренията екваторът на мембраната се превръща в струна. Има пет начина да се постигне подобна редукция, което води до появата на пет различни суперструнни теории в десетизмерно пространство.

„Олеле“, помислих си аз. Или Таунсенд полудяваше, или цялата физика бе на път да се обърне с главата надолу.

Не можех да повярвам на ушите си и затова изстрелях цял залп въпроси към него. Посочих, че единадесетизмерните супермембрани са безсмислени, защото са математически непостижими и, което е още по-лошо — нестабилни. Той призна, че това наистина е проблем, но беше уверен, че въпросът ще намери решението си в бъдеще.

Освен това изтъкнах, че единадесетизмерната супергравитация не е крайна и това прави на пух и прах всяка теория с изключение на струнната. „Това вече не е проблем“, спокойно отвърна той. Супергравитацията не е нищо друго, освен апроксимация на една по-голяма и все още неизвестна теория — М-теорията, която е крайна и всъщност представлява струнна теория, формулирана отново за единадесет измерения с мембрани.

Възразих, че супермембраните са неприемливи, защото никой не е в състояние да обясни как си взаимодействат, когато се сблъскват и променят (както бях направил самият аз преди години в докторската си дисертация за струнната теория). Таунсенд призна, че това е проблем, но и че той несъмнено ще намери решението си.

Накрая казах, че М-теорията всъщност не е никаква теория, тъй като основните й уравнения са неизвестни. За разлика от струнната теория (която може да бъде изразена чрез прости струнни полеви уравнения, които изведох преди години и които обхващат цялата теория), мембраните нямат никаква теория на полето. Таунсенд призна и този довод, но запази увереността си, че рано или късно уравненията на М-теорията ще бъдат открити.

Зави ми се свят. Ако Таунсенд бе прав, струнната теория отново щеше да претърпи коренна трансформация. Мембраните, които някога бяха изхвърлени на бунището на физиката, внезапно възкръсваха за нов живот.

Тази революция се дължи на факта, че струнната теория продължава да се развива отзад напред. Дори и днес никой не е наясно с простите физични принципи, на които се основава цялата теория. Обичам да сравнявам това по следния начин. Представете си, че вървите в пустиня и се спъвате в прекрасно малко камъче. Разчиствате около него и откривате, че камъчето всъщност е връх на огромна пирамида, погребана под тонове пясък. След десетилетия разкопки попадате на загадъчни йероглифи, скрити камери и коридори. Някой ден ще откриете основата и най-сетне ще намерите входа.

Бранен свят

Едно от новите качества на М-теорията е в това, че тя въвежда не само струни, но и цяло изобилие от мембрани с различни измерения. В тази картина частиците точки се наричат „нула-брани“, защото са безкрайно малки и нямат измерения. Струната е „едно-брана“, тъй като е едномерен обект, дефиниран само с дължината си. Мембраната е „дву-брана“, дефинирана с дължина и ширина, подобно на повърхността на баскетболна топка. (Топката може да се носи в триизмерното пространство, но повърхността й има само две измерения.) Нашата вселена може да бъде някакъв вид „три-брана“ — триизмерен обект с дължина, ширина и височина.

Съществуват няколко начина да накараме една мембрана да колапсира в струна. Вместо да навиваме единадесетото измерение, ние можем да отрежем екватора на единадесетизмерната мембрана и да получим кръгла лента. Ако позволим дебелината на лентата да се свие, ще имаме десетизмерна струна. Пьотр Хорава и Едуард Уитън показаха, че по този начин получаваме хетеротична струна.

Всъщност може да се покаже, че съществуват пет начина да свием единадесетизмерната М-теория до десетизмерна и така да получим петте суперструнни теории. М-теорията ни дава бърз и интуитивен отговор на загадката защо има пет различни струнни теории. Представете си, че стоите на някакво възвишение и гледате към равнините под вас. От положението си в третото измерение можем да видим отделните части на равнината, обединени в една обща кохерентна картина. По същия начин, ако погледнем надолу от единадесетото измерение към десетото, ще видим, че безумната шарения на петте суперструнни теории не е нищо друго, освен различни кръпки на единадесетото измерение.

Дуалност

Въпреки че Пол Таунсенд не успя да отговори на повечето зададени от мен навремето въпроси, онова, което в крайна сметка ме убеди в правотата на идеята му, бе силата на една друга симетрия. М-теорията не само разполага с най-големия набор от известни на съвременната физика симетрии, но крие и още един фокус в ръкава си — дуалността, която й дава свръхестествената способност да погълне всичките пет суперструнни теории и да ги обедини в една обща.

Вземете електричеството и магнетизма, които се подчиняват на уравненията на Максуел. Много отдавна бе забелязано, че ако просто смените електрическото поле с магнитно, уравненията ще си останат почти същите. Тази симетрия може да стане пълна, ако към уравненията добавите монополюси. Преработените уравнения на Максуел остават абсолютно същите, когато поставим на мястото на електрическото поле магнитно и сменим електрическия заряд e с инверсията на магнитния заряд g. Това означава, че електричеството (ако електрическият заряд е нисък) е абсолютно равно на магнетизма (ако магнитният заряд е висок). Това равенство се нарича дуалност.

В миналото дуалността се приемала просто като научен куриоз, тъй като и до днес никой не е виждал монополюс. Физиците обаче откриха, че е забележително, че в уравненията на Максуел съществува скрита симетрия, която очевидно не се използва във вселената (или най-малкото в нашия сектор от нея).

По същия начин петте струнни теории са дуални една спрямо друга. Да вземем теория от тип I и хетеротичната теория SO₍₃₂₎. На пръв поглед между тях няма нищо общо. Теорията от тип I се основава на отворени и затворени струни, които могат да си взаимодействат по пет различни начина, като се сливат и разделят. От друга страна при теорията SO₍₃₂₎ имаме само затворени струни, които могат да си взаимодействат само по един начин, подобно на деленето на клетката. Теорията от първи тип се дефинира изцяло в десет измерения, докато SO₍₃₂₎ се дефинира с един набор трептения в двадесет и шест измерения.

Нормално е да ви се струва, че едва ли има по-силно различаващи се теории. Подобно на електромагнетизма обаче, те също притежават мощна дуалност — ако оставите силата на взаимодействия да нарасне, струните от първи тип ще се превърнат като с магия в хетеротични SO₍₃₂₎ струни. (Този резултат е толкова неочакван, че когато се сблъсках за първи път с него, просто зяпнах и заклатих невярващо глава. Във физиката рядко се случва две изглеждащи напълно различно във всяко едно отношение теории да се окажат математически еквивалентни.)

Лиза Рендъл

Може би най-голямото предимство на М-теорията пред струнната теория е в това, че вместо да бъдат съвсем малки, тези по-високи измерения могат да се окажат доста големи и дори да се наблюдават в лабораторни условия. В струнната теория шест от тези измерения трябва да се нагънат и свият в топка от типа на многообразията на Калаби-Яу, която е прекалено малка, за да може да се наблюдава със съвременните инструменти. Тези шест измерения бяха така свити, че попадането в някое от тях е невъзможно — нещо доста разочароващо за онези, които си мечтаят някой ден да се носят из безкрайното хиперпространство, вместо да им се налага да използват краткотрайните преки пътища през сингулярности и дупки-червеи.

В М-теорията обаче имаме и мембрани. Възможно е да разглеждаме цялата наша вселена като мембрана, носеща се в друга, много по-голяма вселена. В резултат на това не е задължително всички по-високи измерения да бъдат нагънати и свити в топка. Всъщност някои от тях могат да се окажат огромни и направо безкрайни.

Един от учените, опитващи се да разработят тази нова картина на вселената, е Лиза Рендъл от Харвард. Рендъл донякъде прилича на актрисата Джоди Фостър и изглежда съвсем не на място в жестоко конкуриращия се и движен от тестостерон мъжки свят на теоретичната физика. Тя се занимава с идеята, че ако вселената наистина е носеща се в многоизмерното пространство три-брана, то може би това обяснява защо гравитацията е толкова нищожно слаба в сравнение с останалите три фундаментални сили.

Рендъл е израснала в Куинс, Ню Йорк. Макар че като дете не показвала особени интереси към физиката, тя обожавала математиката. Лично аз смятам, че като деца всички ние сме учени, но не всеки успява да задържи любовта си към науката и като възрастен. Една от причините е, че се сблъскваме болезнено с твърдата тухлена стена на математиката.

Независимо дали ни харесва или не, ако решим да правим научна кариера, рано или късно ни се налага да научим „езика на природата“ — математиката. Без нея сме обречени да бъдем просто пасивни наблюдатели на танца на природата, вместо активни участници. Както веднъж Айнщайн бе казал, „по своеобразен начин чистата математика е поезията на логиката“^[18]. Може да обожавате френската култура и литература, но за да разберете наистина френския начин на мислене, трябва да научите езика и да можете да свързвате думите в изречения. Същото се отнася и за науката и математиката. Някога Галилей бе написал: „[Вселената] не може да бъде прочетена, докато не научим нейния език и буквите, с които е написан. Този език е математиката, а нейните букви са триъгълниците, окръжностите и другите геометрични фигури, без които човечеството не е в състояние да разбере нито дума.“^[19]

Математиците често се гордеят, че са най-далеч от практиката в сравнение с всички останали учени. Колкото по-абстрактна и ненужна е математиката, толкова по-добре. Онова, което накарало Рендъл да поеме в друга посока, докато учела в Харвард през 80-те, било примамливата идея, че физиците могат да създават „модели“ на вселената. Когато ние представяме някоя нова теория, тя не се гради просто върху куп уравнения. Обикновено новите физични теории се опират на опростени и идеализирани модели на даден феномен. Обикновено тези модели са графични и лесни за схващане. Например кварковият модел се гради на идеята, че протонът се състои от три по-малки частици. Рендъл била дълбоко впечатлена от факта, че тези прости и поддаващи се на илюстриране модели са в състояние да дадат адекватно обяснение на много от нещата във вселената.

През 90-те тя започна да се интересува от М-теорията и от вероятността цялата вселена да представлява мембрана. Рендъл се съсредоточава върху може би най-загадъчната характеристика на гравитацията — астрономически малката й сила. Нито Нютон, нито Айнщайн са разглеждали този фундаментален и мистериозен проблем. Докато останалите три фундаментални сили (електромагнетизмът, силното и слабото ядрено взаимодействие) са с приблизително еднакви стойности, при гравитацията нещата стоят съвсем другояче.

Особено любопитно е, че масите на кварките са много по-малки от масата, асоциирана с квантовата гравитация. „Несъответствието никак не е малко. Двете ска̀ли на масата са разделени от големини от шестнадесети порядък! Само теориите, които обясняват тази огромна амплитуда, могат да бъдат кандидати за основи на Стандартния модел“^[20], посочва Рендъл.

Фактът, че гравитацията е толкова слаба, обяснява защо звездите са толкова големи. Земята с нейните океани, планини и континенти е като песъчинка в сравнение с огромното Слънце. И тъй като гравитацията е толкова слаба, нужна е масата на цяла звезда, за да се свие водородът дотолкова, че да преодолее електрическата сила на отблъскване между протоните. Така че звездите са масивни, защото гравитацията е прекалено слаба в сравнение с останалите сили.

След като М-теорията предизвика толкова вълнения във физиката, няколко екипа се опитаха да я приложат към нашата вселена. Да приемем, че вселената е три-брана, носеща се в свят с пет измерения. Вибрациите по повърхността й ще съответстват на атомите, които виждаме. Така тези вибрации никога не напускат три-браната и следователно не могат да излязат в петото измерение. Дори и нашата вселена да се носи в петото измерение, атомите не могат да я напуснат, защото са всъщност вибрации на собствената й повърхност. В такъв случай намираме решение на въпроса, зададен през 1921 г. от Калуза и Айнщайн — къде е това пето измерение? Отговорът е — ние се носим в него, но не можем да проникнем в него, тъй като телата ни са съставна част от повърхността на три-браната.

В тази картина обаче има потенциална пукнатина. Гравитацията представлява кривината на пространството. Това означава, че ние наивно можем да очакваме тя да изпълва цялото петизмерно пространство, а не само три-браната. В този случай гравитацията би трябвало да се разрежда при излизането й от три-браната. Това отслабва нейната сила. Тази идея подкрепя добре теорията, тъй като знаем, че гравитацията е много по-слаба в сравнение с останалите сили. Но тя отслабва гравитацията прекалено много и би довела до нарушаване на обратно квадратичния закон на Нютон, който работи идеално при планети, звезди и галактики. Никъде не виждаме обърнат кубичен закон на гравитацията. (Представете си крушка, осветяваща стая. Светлината се разпространява сферично и силата й се разпределя по площта й. Ако удвоим радиуса на сферата, светлината ще се разпределя върху сфера с четири пъти по-голяма площ. Общо казано, ако крушката съществува в n-измерно пространство, светлината й ще се разпределя върху сфера, чиято площ нараства при увеличаване на радиуса с n-1.)

За да отговори на този въпрос, екип от физици, сред които Н. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали излезе с предположението, че може би петото измерение не е безкрайно, а се намира само на милиметър над нашите измерения и се носи непосредствено над познатата ни вселена, както е в научнофантастичната история на Х. Уелс. (Ако петото измерение е по-голямо от милиметър, това би довело до забележими нарушения на закона на Нютон за гравитацията.) Ако петото измерение е само на милиметър от нас, това предсказание би могло да се провери чрез намиране на малки отклонения от Нютоновия закон за гравитацията на много малки разстояния. Законът на Нютон работи чудесно на астрономически разстояния, но никога не е бил подлаган на проверка за разстояния от порядъка на един милиметър. Сега експериментаторите проверяват малките отклонения от този закон. В момента текат няколко експеримента, както ще видим в 9 глава.

Рендъл и колегата й Раман Съндръм решиха да подходят по друг начин към проблема и да проверят отново възможността петото измерение да не е на милиметър разстояние, а да е много голямо, може би безкрайно. За целта те трябваше да обяснят как то може да бъде безкрайно, без да наруши Нютоновия закон за гравитацията. Именно тук Рендъл намери потенциален отговор на загадката. Тя откри, че три-браната притежава своя собствена гравитация, която не позволява на гравитоните да отлитат свободно в петото измерение. Те трябва да останат прикрепени към три-браната подобно на залепнали за смола мухи поради гравитацията на самата три-брана. Ето защо, когато се опитваме да проверим закона на Нютон, ние откриваме, че в нашата вселена той е приблизително верен. Гравитацията се разрежда и отслабва, когато напусне три-браната и попадне в петото измерение, но не успява да стигне особено далеч — обратният квадратичен закон все още се запазва в общи линии, тъй като гравитоните продължават да се привличат от три-браната. (Освен това Рендъл предложи възможното съществуване на втора мембрана, паралелна с нашата. Ако изчислим неуловимото взаимодействие на гравитацията между двете мембрани, то може да се нагласи така, че да можем числено да обясним малката сила на гравитацията.)

„Настъпи голямо вълнение, когато за първи път бе изказано предположението, че допълнителните измерения дават алтернативни начини за обясняване на произхода на проблема с йерархията — отбелязва Рендъл. — Тези допълнителни пространствени измерения могат отначало да ни изглеждат като съвсем смахната идея, но съществуват убедителни причини да се смята, че наистина съществуват.“^[21]

Ако тези учени са прави, то гравитацията е силна колкото останалите сили, но се разрежда, защото част от нея изтича в пространство с повече измерения. Едно от основните следствия от тази теория е, че енергията, при която тези квантови ефекти стават измерими, може да не е енергията на Планк (10¹⁹ милиарда електронволта), както се мислеше досега. Може би ще са достатъчни само трилиони електронволта, а това означава, че LHC (Large Hadron Collider) — ускорителят, който ще бъде завършен през 2007 г. — ще успее да долови квантовите гравитационни ефекти в рамките на това десетилетие. Това предизвика значителен интерес сред физиците експериментатори, които се заеха да търсят екзотични частици, които не попадат в рамките на Стандартния модел на субатомните частици. Може би квантовите гравитационни ефекти са на една ръка разстояние от нас.

Мембраните дават също така задоволителен, макар и спекулативен отговор на загадката на тъмната материя. В „Невидимият“ на Хърбърт Уелс главният герой се носеше в четвъртото измерение и така ставаше невидим. Представете си, че непосредствено над нашата вселена се носи друг паралелен свят. Всяка галактика в него ще бъде невидима за нас. Но тъй като гравитацията представлява изкривяване на хиперпространството, тя може да се прехвърля между вселените. Всяка по-голяма галактика в паралелната вселена ще се привлича през хиперпространството от галактика в нашата вселена. Така, когато измерваме свойствата на някоя наша галактика, ние откриваме, че гравитационното й привличане е много по-силно, отколкото би трябвало да се очаква от законите на Нютон, тъй като непосредствено зад нея се крие друга галактика от съседната брана. Тази скрита галактика ще бъде напълно невидима за нас, тъй като се носи в друго измерение, но въпреки това ще ни даде картината на хало около нашата галактика, в което се съдържат 90 процента от масата. Ето как тъмната материя може да се окаже всъщност наличие на паралелна вселена.

Сблъскващи се вселени

Може би е все още рано М-теорията да се прилага в сериозната космология. Въпреки това физиците се опитаха да използват „бранната физика“ за създаване на нов подход към обичайната инфлационна вселена. Три от тези възможни космологии привлякоха известно внимание.

Първата се опитва да отговори на въпроса защо живеем в четириизмерния континуум пространство-време. По принцип М-теорията може да се формулира във всичките единадесет измерения, така че изглежда същинска загадка защо са набелязани именно четири. Робърт Бранденбергер и Кумрун Вафа изказаха предположението, че това може би се дължи на особената геометрия на струните.

Според тях вселената е започнала съществуването си напълно симетрична и всички по-висши измерения са били свити здраво в Планкови размери. Вселената не се е разширявала заради струните, които били здраво навити около различните измерения. Представете си стегнато кълбо, което моментално започва да се размотава, ако нишките по някакъв начин се скъсат.

В тези малки измерения вселената не е можела да се разширява заради стегнатите струни и антиструни (които, грубо казано, се навиват в обратната на струните посока). Ако струна и антиструна се сблъскат, те могат да се анихилират взаимно и да изчезнат, подобно на разплетен възел. При много големите измерения има прекалено много „място“ и затова струните и антиструните рядко се сблъскват. Бранденбергер и Вафа обаче показаха, че при три или по-малко измерения вероятността за подобен сблъсък е по-висока. Щом такъв настъпи, струните се разплитат и измеренията започват рязко да се разширяват, при което получаваме Голям взрив. Примамливото при тази картина е, че топологията на струните в общи линии обяснява защо навсякъде около нас виждаме познатото ни четириизмерно пространство-време. Вселените с повече измерения са възможни, но по-малко вероятни, тъй като все още са здраво увити в струни и антиструни.

В М-теорията обаче съществуват и други възможности. Ако вселените могат да се пъпкуват една от друга и да създават нови вселени, тогава може би е възможно да става и обратното — да се сблъскат, при което да се образуват искри, от които да възникват нови вселени. При този сценарий Големият взрив може да е причинен не от пъпкуване, а от сблъсък на две паралелни вселени.

Тази втора теория бе предложена от Пол Стейнхард от Принстън, Бърт Оврът от Пенсилванския университет и Нийл Турък от Кембридж, които създадоха „екпиротична“ („възникнала от пожар“ на старогръцки) вселена, за да въведат новите свойства на М-бранната картина. В нея допълнителните измерения могат да бъдат големи и дори безкрайни. Екипът започна с две плоски, еднородни и паралелни три-брани, представляващи най-ниско енергийно състояние. Отначало те съществуват като студени и празни вселени, но гравитацията постепенно започва да ги привлича една към друга. Накрая вселените се сблъскват и огромната кинетична енергия се преобразува в материята и лъчението, съставляващи нашата вселена. Някои наричат това теория на „Голямото размазване“ вместо теория за Големия взрив.

Силата на сблъсъка разделя двете вселени. Когато мембраните се отделят една от друга, те бързо започват да изстиват и се получава вселената във вида, в който я виждаме днес. Изстиването и разширяването продължава трилиони години, докато температурите на вселените не се доближат до абсолютната нула, а плътността им стане само един електрон на квадрилион кубични светлинни години. В резултат на това вселените стават празни и инертни. Гравитацията обаче продължава да привлича двете мембрани, докато трилиони години по-късно те не се сблъскат и цикълът се повтаря отново.

Този сценарий е в състояние да даде добри резултати за инфлацията (плоскостта и еднородността). Получаваме отговор защо вселената е толкова плоска — защото двете брани са плоски поначало. Моделът обяснява също и проблема с хоризонта — т.е., защо вселената изглежда толкова невероятно еднородна във всички посоки. Това е така, защото на мембраната й трябва много време, докато достигне до равновесие. Така инфлацията обяснява проблема с хоризонта чрез рязкото разширяване на вселената, докато предложеният сценарий го прави по обратния начин, позволявайки на вселената бавно да постигне равновесие.

(Това означава също, че в хиперпространството може би има и други мембрани, които ще се сблъскат с нашата в бъдеще и ще създадат друго голямо размазване. Като имаме предвид, че скоростта на разширяване на вселената се увеличава, може да се окаже, че новият сблъсък е напълно вероятен. „Може би все по-бързото разширяване на вселената е предвестник на такъв сблъсък. Мисълта далеч не е от най-приятните“^[22], добавя Стейнхард.)

Всеки сценарий, който отправя предизвикателство към общоприетата представа за инфлационната вселена, неминуемо предизвиква остри реакции. Само седмица след пускането на статията в интернет Линде, съпругата му Рената Калош (която работи върху струнната теория) и Лев Кофман от университета в Торонто излязоха с критика на модела. Линде се обяви против него, защото нещо толкова катастрофално като сблъсък на две вселени би могло да създаде сингулярност, при която температурата и плътността да клонят към безкрайност. „Това е като да хвърлиш стол в черна дупка. Всички частици на стола се изпаряват, а вие твърдите, че формата се е запазила“^[23], протестира той.

Стейнхард не остана длъжен: „Онова, което прилича на сингулярност в четири измерения, може да не е такава в пет… При сблъсъка петото измерение временно изчезва, но не и самите брани. Ето защо плътността и температурата не клонят към безкрайност и времето продължава да си тече. Макар общата теория на относителността да полудява, това не важи за струнната теория. И онова, което преди изглеждаше като катастрофа, в нашия модел се поддава на управление.“

Стейнхард имаше на своя страна силата на М-теорията, която е известна и с това, че елиминира сингулярностите. Всъщност това е и първоначалната причина занимаващите се с теоретична физика учени да се нуждаят от квантова теория на гравитацията — целта им е да елиминират всички безкрайности. Линде обаче посочва един концептуално уязвим елемент в модела — а именно, че браните започват съществуването си в плоско и еднообразно състояние. „Ако започнете със съвършенство, може и да успеете да обясните онова, което виждате… но все още не сте отговорили на въпроса защо вселената трябва да започне съществуването си в съвършено състояние.“^[24] „Плоско плюс плоско е равно на плоско“^[25], отвръща Стейнхард. С други думи, трябва да се приеме, че мембраните са започнали съществуването си в най-ниско енергийно състояние, когато са плоски.

Алан Гът остана отворен към модела. „Не смятам, че Пол и Нийл са се доближили до доказването на своя модел, но той определено заслужава да му се обърне внимание — казва той, след което хвърля ръкавицата на привържениците на струнната теория и ги предизвиква да обяснят инфлацията: — Мисля, че в дългосрочен план струнната теория и М-теорията неизбежно ще трябва да включат в себе си и инфлацията, тъй като тя изглежда очевидно решение на въпросите, към които е насочена — т.е., защо вселената е толкова еднородна и плоска.“^[26] И така, Гът пита може ли от М-теорията да се получи стандартната картина на инфлацията?

И накрая съществува още една космологична теория, която използва струнната теория — теорията на Венециано за вселената преди Големия взрив. Според нея вселената всъщност започва съществуването си като черна дупка. Ако искаме да разберем каква е вътрешността на една черна дупка, можем просто да се огледаме.

Според Венециано вселената всъщност е безкрайно стара и е започнала съществуването си в далечното минало, когато е била почти напълно празна и студена. Гравитацията започнала да създава струпвания на материя, които постепенно образували толкова плътни региони, че се превърнали в черни дупки. Около всяка една черна дупка започнал да се образува хоризонт на събитията, който завинаги отделя вътрешността на черната дупка от околното пространство. В рамките на всеки хоризонт на събитията материята продължавала да се свива, докато не достига до дължината на Планк.

В този момент се намесва струнната теория. Дължината на Планк е минималното разстояние, допустимо от струнната теория. Черната дупка започва да се разширява чрез огромна експлозия, която всъщност е Големият взрив. Тъй като този процес може да се повтаря из цялата вселена, това означава, че може би съществуват и други далечни черни дупки/вселени.

(Идеята, че нашата вселена може да е черна дупка, не е чак толкова налудничава, колкото изглежда. Ние имаме интуитивната идея, че една черна дупка трябва да бъде изключително плътна и да притежава огромно и смазващо гравитационно поле. Това невинаги е така. Размерът на събитийния хоризонт на черната дупка е пропорционален на масата й. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голям е хоризонтът на събитията. Но по-големият хоризонт означава, че материята се простира в по-голям обем. В резултат на това с нарастването на масата плътността намалява. Всъщност, ако една черна дупка има масата на нашата вселена, размерът й би трябвало да е равен на размера на вселената, а плътността й — твърде ниска и сравнима с наблюдаваната плътност.)

Някои астрофизици обаче не са особено впечатлени от прилагането на струнната теория и М-теорията към космологията. Джоуел Примак от Калифорнийския университет в Санта Круз е най-скептичен: „Мисля, че е глупаво да се вдига толкова много шум около всичко това… Идеите в тези статии на практика не подлежат на проверка.“^[27] Само времето ще покаже дали Примак е прав, но като се има предвид скоростта на развитие на струнната теория можем да очакваме решението доста скоро. И отговорът може да дойде от нашите космически апарати. Както ще видим в 9 глава, до 2020 г. ще бъдат изстреляни ново поколение детектори на гравитационни вълни като LISA, които могат да ни позволят да отхвърлим или потвърдим някои от теориите. Ако инфлационната теория е вярна, LISA би трябвало да улови мощни гравитационни вълни, породени по време на инфлацията. От друга страна екпиротичният модел предвижда бавен сблъсък между две вселени и следователно — много по-слаби гравитационни вълни. LISA би трябвало експериментално да отхвърли една от двете теории. С други думи, в гравитационните вълни от Големия взрив са кодирани данните, нужни за определяне кой от сценариите е правилен. Може би за първи път LISA ще бъде в състояние да ни даде сигурни експериментални резултати относно инфлацията, струнната теория и М-теорията.

Миниатюрни черни дупки

Тъй като струнната теория е теория за цялата вселена, за пряката й проверка е необходима вселена в лаборатория (вижте 9 глава). Обикновено очакваме квантовите ефекти на гравитацията да се наблюдават при Планкова енергия. Тя обаче е квадрилион пъти по-мощна от най-мощния ни ускорител на частици и поради това подобни тестове са невъзможни. Но ако наистина съществува паралелна вселена, която е само на милиметри от нашата, тогава енергията за обединяване и квантови ефекти може да се окаже доста ниска и достижима за следващото поколение ускорители. Това на свой ред предизвика огромен интерес към физиката на черните дупки, като най-интересна част от нея са т.нар. „миниатюрни черни дупки“. Тяхното поведение е като поведението на субатомни частици. Те представляват „лаборатория“, в която могат да се проверят предположенията на струнната теория. Физиците са въодушевени от идеята, че ще могат да ги създават с помощта на ускорителя LHC. (Миниатюрните черни дупки са много малки и по размери могат да се сравнят с електрон, така че няма опасност да погълнат Земята. Космическите лъчи редовно бомбардират планетата с далеч по-високи енергии, без това да предизвиква катастрофа.)

Колкото и да изглежда революционно, идеята за използване на маскирана като субатомна частица черна дупка всъщност е стара — пръв я предлага Айнщайн още през 1935 г. Според Айнщайн би трябвало да съществува обща теория на полето, която да разглежда изградената от субатомни частици материя като един вид изопачаване в тъканта на континуума пространство-време. За него субатомните частици като електрона са всъщност „чупки“ или дупки-червеи в изкривеното пространство, които просто от разстояние изглеждат като частици. Заедно с Нейтан Розен Айнщайн подхвърлил идеята, че електронът би могъл да се окаже маскирана миниатюрна черна дупка. При подобно включване на материята в общата теория на полето, субатомните частици ще се свеждат до чиста геометрия.

Миниатюрните черни дупки бяха предложени отново от Стивън Хокинг, който доказа, че черните дупки трябва да се изпаряват и да излъчват слабо сияние. През дългите години на съществуването си черната дупка ще излъчи толкова много енергия, че би трябвало постепенно да намали размерите си, докато не стане колкото субатомна частица.

Струнната теория отново прибягва до концепцията за миниатюрните черни дупки. Да си припомним, че те се образуват от голямо количество материя, свита в рамките на радиуса на Шварцшилд. Тъй като масата и енергията могат да се преобразуват една в друга, черните дупки биха могли да се създадат и чрез свиване на енергия. Много е интересно дали LHC ще бъде в състояние наред с остатъците от разбитите при 14 трилиона електронволта протони да произведе и миниатюрни черни дупки. Те би трябвало да бъдат изключително малки, масата им може би ще бъде една хилядна от масата на електрона, а продължителността им на живот — едва 10^–23 секунди. Въпреки това биха се различавали ясно сред следите от създадените от ускорителя субатомни частици.

Физиците също така се надяват миниатюрни черни дупки да се съдържат и в лъчите от открития космос. Уредите в обсерваторията „Пиер Аугер“ в Аржентина са толкова чувствителни, че са в състояние да уловят някои от най-големите регистрирани някога изригвания на космически лъчи. Надеждата е да се намерят естествено образували се миниатюрни черни дупки, които биха създали характерен вид лъчение, когато влязат в контакт с горните слоеве на земната атмосфера. Някои изчисления показват, че детекторът на лабораторията би могъл да види до десет подобни излъчвания на година.

Регистрирането на миниатюрна черна дупка в LHC в Швейцария или от детектора на космически лъчи „Аугер“ в Аржентина в рамките това десетилетие може би ще ни даде добро доказателство за съществуването на паралелни вселени. Макар че няма да докажат убедително правотата на струнната теория, миниатюрните черни дупки биха могли да убедят цялата научна общност, че струнната теория е съвместима с всички експериментални резултати и че се движи в правилната посока.

Черните дупки и информационният парадокс

Струнната теория би могла също да хвърли светлина върху някои от най-големите парадокси във физиката на черните дупки, сред които е и информационният парадокс. Може би си спомняте, че черните дупки не са напълно черни, а излъчват малки количества енергия чрез тунелиране. Според квантовата теория винаги съществува вероятност част от лъчението да се отскубне от безмилостната хватка на гравитацията. Това води до бавно изтичане на частици от черната дупка, наречено Хокингово лъчение.

Това лъчение има определена температура, която е пропорционална на площта на събитийния хоризонт. Хокинг изведе общо следствие от това уравнение, което е прекалено сложно и за приблизителното получаване на решението му е необходима цялата мощ на статистическата механика (основаваща се на броенето на квантовите състояния на черната дупка). Обикновено подобни изчисления се правят, като се броят състоянията, в които могат да се намират даден атом или молекула. Но как е възможно да се преброят квантовите състояния на черна дупка? Според Айнщайн черните дупки са идеално гладки и подобна задача се оказва доста проблематична.

Работещите върху струнната теория учени бяха нетърпеливи да затворят тази празнина и затова Андрю Строминджър и Кумрун Вафа решиха да анализират черна дупка с помощта на М-теорията. Тъй като сама по себе си черната дупка е прекалено сложен за работа обект, те предприеха друг подход и си зададоха хитрия въпрос каква е дуалността на една черна дупка? (Помним, че електронът е дуалност на магнитен монополюс като самостоятелния северен полюс. Следователно, като изследваме електрон в слабо електрично поле — което не е особено трудно, — ще можем да изследваме един много по-труден експеримент — монополюс, поставен в много силно магнитно поле.) Надеждата бе, че дуалността на черната дупка ще може да се анализира много по-лесно от самата черна дупка, а крайният резултат ще бъде същият. Чрез серия математически манипулации Строминджър и Вафа успяха да покажат, че черната дупка е дуалност на съчетание от едно-брани и пет-брани. Това бе изключително благоприятно, тъй като се знаеше как могат да се преброят квантовите състояния на браните. Строминджър и Вафа откриха, че резултатът им възпроизвежда точно резултата на Хокинг.

Това бяха обнадеждаващи новини. Струнната теория, за която понякога ехидно подхвърлят, че не е свързана с реалния свят, ни даде може би най-елегантното решение на термодинамиката на черната дупка.

Сега учените се опитват да разрешат най-трудния проблем на физиката на черните дупки — „информационния парадокс“. Хокинг твърди, че ако хвърлите нещо в черна дупка, носената от него информация се губи безвъзвратно. (Хитър начин за извършване на идеалното престъпление. С помощта на една черна дупка не биха останали никакви улики.) Единствените параметри на една черна дупка, които можем да измерим от разстояние, са нейната маса, спин и заряд. Каквото и да пуснете вътре в черната дупка, ще изгубите цялата информация. (Именно това се има предвид с твърдението, че се губи цялата информация, с изключение на тези три параметъра.)

Загубата на информация от нашата вселена изглежда неминуемо следствие от теорията на Айнщайн, но нарушава принципите на квантовата механика, според които информацията всъщност никога не може да се изгуби. Тя би трябвало да остане някъде във вселената, дори ако оригиналният й носител е бил захвърлен в гърлото на черна дупка.

„Повечето физици искат да вярват, че информацията не се губи — пише Хокинг, — тъй като това би направило вселената безопасна и предсказуема. Аз лично смятам, че ако приемаме сериозно общата теория на относителността, трябва да допуснем възможността континуумът пространство-време да се завърже на възли и информацията да се изгуби в гънките им. Да се определи дали информацията наистина се губи, или продължава да съществува, е един от най-големите въпроси на съвременната теоретична физика.“^[28]

Този парадокс, изправящ Хокинг срещу повечето привърженици на струнната теория, все още не е разрешен. Залозите обаче са в полза на виждането, че рано или късно ще открием къде е отишла липсващата информация. (Например, ако хвърлите в черната дупка книга, възможно е съдържащата се в нея информация да изтече обратно в нашата вселена под формата на слаби трептения, съдържащи се в Хокинговото лъчение на изпаряващата се черна дупка. Или пък да се появи от бяла дупка.) Затова за момента смятам, че когато някой най-сетне успее да изчисли чрез струнната теория какво се случва с изчезващата в черна дупка информация, ще се окаже, че информацията всъщност не се губи, а тихомълком се появява някъде другаде.

През 2004 г. Хокинг направи неочакван обратен завой и обяви на първата страница на „Ню Йорк Таймс“ и пред телевизионните камери, че не е бил прав по отношение на проблема с информацията. (Преди тридесет години той предлагаше облог, че от черна дупка не може да изтече никаква информация. Изгубилият облога трябваше да даде на победителя енциклопедия, в която информацията се намира лесно.) Хокинг повторил някои от предишните си изчисления и установил, че ако някое тяло попадне в черна дупка, то може да наруши лъчевото й поле и да позволи на информацията да се върне обратно във вселената. Съдържащата се в една книга например информация ще бъде кодирана в лъчението, което бавно напуска черната дупка, макар и в силно обезобразен вид.

От една страна това поставя Хокинг редом до мнозинството квантови физици, според които информацията не може да се загуби. Но възниква и въпросът възможно ли е някаква информация да премине в паралелна вселена? На пръв поглед резултатът на Хокинг хвърля сянка на съмнение върху идеята, че информацията може да премине през дупка-червей и да се озове в друга вселена. Никой обаче не смята, че това е окончателното решение по темата. Информационният парадокс няма да получи решението си, докато струнната теория не бъде изцяло развита или не се направят пълни квантови гравитационни изчисления.

Холографската вселена

И накрая, съществува едно доста загадъчно предположение на М-теорията, което все още си остава неразбрано, но може да има много важни последици за физиката и философията. Резултатът ни кара да си зададем въпроса дали нашата вселена не е всъщност холограма? Има ли „вселена в сянка“, в която телата ни съществуват в сплескана двуизмерна форма? Това поражда и друг, не по-малко объркващ въпрос — дали вселената не е компютърна програма? Можем ли да я запишем на компактдиск и да я пускаме, когато си пожелаем?

Можем да видим холограми по кредитните карти, в музеите и в увеселителните паркове. Те са забележителни с това, че могат да предадат пълно триизмерно изображение върху двуизмерна повърхност. Ако погледнете фотография и преместите главата си, образът не се променя. Холограмата обаче е нещо различно. Когато погледнете холографско изображение и промените положението на главата си ще откриете, че картината се променя, сякаш я наблюдавате през ключалка. (Може би един ден холограмите ще доведат до появата на триизмерна телевизия и кино. Може би в близко бъдеще ще стоим в дневните си и ще гледаме към стенните екрани, които ще ни дават пълни триизмерни изображения на далечни места, сякаш са прозорци. А ако екраните бъдат оформени като цилиндър и стаята ни се намира в центъра му, ще ни се струва, че сме се озовали в друг свят. Накъдето и да погледнем, ще виждаме триизмерен образ на реалност, напълно неразличима от истинската.)

Същността на холограмата се крие в това, че двуизмерната й повърхност съдържа в себе си цялата необходима за получаването на триизмерно изображение информация. (Холограмите се правят в лаборатории с помощта на лазер, който осветява светлочувствителна фотографска платка. Светлината взаимодейства с лазера от първоначалния източник и интерференцията създава картина, която „запечатва“ образа върху двуизмерната платка.)

Някои космолози стигнаха до заключението, че същото може да се отнася и за самата вселена — че може би живеем в холограма. Това странно предположение води началото си от физиката на черните дупки. Бекенщайн и Хокинг смятат, че общото количество съдържаща се в една черна дупка информация е пропорционално на площта на събитийния хоризонт (който е сферичен). Резултатът е странен, тъй като обикновено съдържащата се в едно тяло информация е пропорционална на обема му. Например количеството информация в една книга е пропорционално на нейните размери, а не на площта на корицата й. Ние осъзнаваме инстинктивно това, когато казваме, че не може да се съди за книгата по корицата й. Подобен род интуиция обаче не работи при черните дупки — за тях можем с пълно право да съдим по кориците.

Може да отхвърлим тази куриозна хипотеза, защото черните дупки сами по себе си са куриози, при които нормалната интуиция не става за нищо. Резултатът обаче е приложим и за М-теорията, която може би ще ни даде най-доброто описание на вселената. През 1997 г. Хуан Малдацена от Института за модерни изследвания в Принстън направи истинска сензация, като показа, че струнната теория води до един нов тип холографска вселена.

Той започна с петизмерна „анти-Де Ситер вселена“, която често се използва в струнната теория и теорията за супергравитацията. Вселената на Де Ситер има положителна космологична константа, която създава все по-бързо разширяваща се вселена. (Да си спомним, че понастоящем нашата вселена най-добре може да се опише като вселена на Де Ситер, в която космологичната константа кара галактиките да се отдалечават с все по-високи скорости една от друга. При противоположния вид вселена космологичната константа е отрицателна и затова тя може да имплодира.) Малдацена показа, че съществува дуалност между тази петизмерна вселена и нейната „граница“^[29], която е четириизмерна вселена. Изглежда странно, но всяко живеещо в петизмерната вселена същество ще бъде математически еквивалентно на същество от четириизмерната вселена. Няма начин да се различат едното от другото.

Да направим една груба аналогия — представете си риба в аквариум. За рибата аквариумът е цялата реалност. Сега си представете двуизмерно холографско изображение на същата риба, проектирано върху стената на аквариума. Изображението съдържа точно копие на оригиналната риба с тази разлика, че е плоско. Всяко движение на рибата в аквариума ще се повтаря едно към едно от плоското изображение. И рибата в аквариума, и онази от стената ще си мислят, че са истински и че другата е илюзия. И двете са живи и действат така, сякаш именно те са истинските. Кое от описанията е вярно? На практика и двете, тъй като рибите са математически еквивалентни и помежду им не може да се направи разлика.

Физиците особено се въодушевиха от факта, че изчисленията в петизмерното анти-Де Ситерово пространство са сравнително лесни, докато четириизмерните теории на полето са прочути със сложността си. (Дори и днес, след десетилетия усърдна работа и най-мощните ни компютри не могат да решат четириизмерния кварков модел и да получат масите на протона и неутрона. Уравненията за самите кварки са доста лесно разбираеми, но решаването им за четири измерения се оказа далеч по-трудно, отколкото се предполагаше.) Една от целите е чрез тази странна дуалност да се изчислят масата и свойствата на протона и неутрона.

Холографската дуалност може да има и практически приложения, като решаването на проблема с информацията във физиката на черните дупки. При наличието на четири измерения е изключително трудно да се докаже, че когато хвърляме предмети в черна дупка, ние не губим информация. Но четириизмерното пространство е дуално на петизмерна вселена, в която информацията може би никога не се губи. Надеждата е, че сложните при четири измерения проблеми (като информационния, изчисляването на масите в кварковия модел и т.н.) могат да намерят решенията си в пет измерения, където математиката е по-проста. И винаги съществува вероятност тази аналогия да представлява всъщност отражение на реалното положение на нещата — че ние всъщност съществуваме като холограми.

Възможно ли е вселената да е компютърна програма

Както вече видяхме, Джон Уилър смята, че цялата физическа реалност може да се сведе до чиста информация. Бекенщайн продължава идеята за информацията от черната дупка към нови непознати райони, задавайки въпроса дали вселената всъщност не представлява компютърна програма. Възможно ли е да сме просто битове върху космически компактдиск?

Този въпрос бе пресъздаден блестящо във филма „Матрицата“, в която цялата реалност бе сведена до компютърна програма. Милиарди хора мислят, че водят ежедневния си живот, без да си дават сметка, че всичко това е компютърно генерирана фантазия, а истинските им тела лежат във вани с хранителен разтвор и служат за източници на енергия.

Във филма героите можеха да пускат по-малки програми, способни да създават изкуствени микровселени. Ако искаш да станеш майстор по кунг-фу или да се научиш да управляваш хеликоптер, достатъчно е просто да вкараш съответния компактдиск в компютъра, да заредиш програмата в мозъка си и готово! За секунда ставаш истински виртуоз. Пускането на програмата създава цяла нова субреалност. Но това поражда любопитния въпрос възможно ли е цялата реалност да се побере на компактдиск. Необходимата компютърна мощ за симулиране на реалност за милиарди спящи хора е наистина зашеметяваща. Но все пак, възможно ли е на теория цялата вселена да бъде дигитализирана и побрана в крайна компютърна програма?

Корените на този въпрос достигат до Нютоновите закони за движение и имат съвсем практично приложение в живота ни. Помним прочутите думи на Марк Твен: „Всички се оплакват от времето, но никой не прави нищо по въпроса.“ Съвременната цивилизация не може да промени курса дори на една-единствена гръмотевична буря, но това не е попречило на физиците да си зададат далеч по-скромния въпрос — можем ли да предсказваме времето? Възможно ли е да се състави компютърна програма, която да предвижда сложните атмосферни движения на Земята? Това има напълно практическо приложение за всеки, който е зависим от времето — от фермерите, които биха искали да знаят кога да съберат реколтата си, до метеоролозите, интересуващи се от хода на глобалното затопляне през този век.

По принцип компютрите могат да използват законите на Нютон за движението и да изчислят с едва ли не произволна точност движението на молекулите на въздуха. На практика обаче тези програми се оказват изключително недодялани и на тях не може да се разчита за прогнозиране на времето за повече от два-три дни в най-добрия случай. За да се предскаже времето, трябва да се определи движението на всяка въздушна молекула — нещо, което е непосилно и за най-мощния компютър. Съществува също така проблемът с теорията на хаоса и „ефектът на пеперудата“, според който и най-слабото размахване на крилото на пеперуда може да предизвика верижна реакция, която да доведе до промяна на времето на стотици километри разстояние.

Математиците обобщават ситуацията с твърдението, че най-малкият модел, който е в състояние да опише точно времето, е самото време. Вместо да анализираме всяка молекула, най-доброто, което можем да сторим, е да се запознаем с прогнозите за утрешния ден и с по-мащабните тенденции като парниковия ефект.

Оказва се, че един Нютонов свят много трудно може да се сведе до компютърна програма — в него има прекалено много променливи и „пеперуди“. В квантовия свят обаче могат да се случат някои доста странни неща.

Както вече видяхме, Бекенщайн показа, че общото информационно съдържание на една черна дупка е пропорционално на площта на нейния хоризонт на събитията. Има интуитивен начин да се разбере това. Много учени смятат, че най-малката възможна дължина е дължината на Планк (10^–33 см). На това невъобразимо късо разстояние континуумът пространство-време вече не е гладко, а прилича на „пяна“. Можем да разделим сферичната повърхност на събитийния хоризонт на малки квадрати със страна една Планкова дължина. Ако във всеки квадрат се съдържа един бит информация и сумираме всички квадрати, ще получим общото информационно съдържание на черната дупка. Това като че ли означава, че всеки от тези „Планкови квадрати“ е най-малкото възможно количество информация. Ако това е така, то според Бекенщайн може да се окаже, че истинският език на физиката е не полевата теория, а информацията. Както изтъква той, „теорията на полето с нейната безкрайност не може да бъде завършена история“^[30].

Още от времето на работилия през XIX в. Фарадей физиката се формулира на езика на полетата, които са гладки, непрекъснати и измерват силата на магнетизма, електричеството, гравитацията и т.н. във всяка точка на континуума пространство-време. Но една теория на полето се основава на непрекъснати, а не дигитализирани структури. Полето може да приеме произволна стойност, докато в другия случай имаме само дискретни числа, основани на нули и единици. Такава е например разликата между гладката гумена повърхност от теорията на Айнщайн и телената мрежа. Гумената повърхност може да се раздели на безкрайно много точки, докато при мрежата имаме най-малко разстояние.

Бекенщайн предполага, че „окончателната теория трябва да се концентрира не върху полетата, не дори върху континуума пространство-време, а върху информационния обмен между физичните процеси“^[31].

Ако вселената може да се дигитализира и да се сведе до нули и единици, тогава какво е нейното общо информационно съдържание? Бекенщайн изчислява, че черна дупка с диаметър около сантиметър ще съдържа около 10⁶⁶ бита информация. И щом обект с подобни размери може да съдържа такова колосално количество битове, то видимата вселена вероятно съдържа далеч повече информация — не по-малко от 10¹⁰⁰ бита (която по принцип може да се свие в сфера с диаметър десет светлинни години). Това невъобразимо число — единица със сто нули — се нарича гугъл.

Ако картината е вярна, получаваме доста странна ситуация. Може да се окаже, че в квантовия свят една Нютонова вселена не може да се симулира чрез компютри (или може да се симулира само от система, голяма колкото оригинала), защото сама по себе си вселената може да бъде качена на компактдиск! На теория, ако успеем да качим 10¹⁰⁰ бита информация на един диск, ще можем да наблюдаваме вселената до най-малките й подробности в собствената си стая. По принцип бихме могли да препрограмираме битовете по такъв начин, че физическата реалност да стане друга. В известен смисъл ще имаме божествената способност да пренаписваме сценария по свое желание.

(Бекенщайн признава, че общото количество информация във вселената би могло да бъде още по-голямо. Всъщност нищо чудно най-малкият обем, в който може да се побере информацията за вселената, да се окаже самата вселена. Ако това е така, ще се озовем там, откъдето тръгнахме — най-малката система, способна да моделира вселената, е самата вселена.)

Струнната теория предлага малко по-различна интерпретация на „най-малката дължина“ и дали сме в състояние да запишем вселената на компактдиск. М-теорията притежава т.нар. Т-дуалност. Да си спомним за древногръцкия философ Зенон, според когото една линия може да се раздели на безкрайно количество точки. Съвременните квантови физици като Бекенщайн смятат, че най-малкото разстояние е дължината на Планк, на която тъканта на континуума пространство-време става на мехури, подобно на пяна. При М-теорията нещата стоят по-различно. Да вземем една струнна теория и да свием едно от измеренията й в кръг с радиус R. След това вземаме друга струна и свиваме едно измерение в кръг с радиус 1/R. Ако сравним двете напълно различни теории ще открием, че те са абсолютно еднакви.

Нека стойността на R да бъде изключително малка — много по-малка от 10^–33 см. Това означава, че физиката в рамките на дължината на Планк е идентична с физиката извън нея. При дължината на Планк континуумът пространство-време става на пяна, но физиката на по-малки и по-големи дължини може да си остане гладка и на практика една и съща.

Тази дуалност бе открита за първи път през 1984 г. от колегата ми Кейджи Кикава и ученика му Масами Ямасаки от университета в Осака. Макар че според струнната теория съществува „най-малка дължина“, физиката не прекъсва изведнъж при нея. Новото в случая е, че физиката при дължини под дължината на Планк е еквивалентна на физиката при по-големи разстояния.

Ако тази доста смахната интерпретация е вярна, то дори и в рамките на „най-малката дължина“ на струнната теория може да съществува цяла вселена. С други думи, ние все така ще можем да използваме теорията на полето с нейните непрекъснати структури, за да описваме вселената дори на разстояния много под 10^–33 см. Така че може да се окаже, че вселената всъщност далеч не е компютърна програма. Все пак времето ще си каже думата, тъй като проблемът е сравнително добре дефиниран.

(Тази Т-дуалност е потвърждение на модела на Венециано за вселената преди Големия взрив, който описах по-горе. Според него черната дупка се свива до дължината на Планк, след което „отскача“ назад като Голям взрив. Това не е внезапно събитие, а гладка Т-дуалност между по-малка от Планковата дължина черна дупка и разширяваща се вселена.)

Краят

Ако М-теорията е успешна, ако тя наистина се окаже „теория на всичкото“, дали това означава край на физиката във вида, в който я познаваме днес?

Отговорът е не. Ще си послужа с един пример. Дори и да знаем правилата на шаха, това не ни прави автоматично гросмайстори. По същия начин познаването на законите на вселената не означава, че моментално ще разберем цялото й огромно разнообразие.

Лично аз смятам, че е може би малко рано да прилагаме М-теорията в космологията, макар че тя ни дава много различна картина на това как може да е възникнала вселената. Мисля, че основният проблем е в това, че моделът все още не е завършен. М-теорията може спокойно да е „теория на всичкото“, но според мен все още предстои много работа, свързана с нея. Още от 1968 г. тя се развива назад и окончателните й уравнения все така си остават неизвестни. (Например струнната теория може да се формулира чрез струнната теория на полето, както показахме с Кикава преди години. Все още не знаем кой е партньорът на М-теорията.)

М-теорията се изправя пред няколко проблема. Единият от тях е, че сега физиците затъват в p-брани. Бяха написани редица статии, опитващи се да каталогизират зашеметяващото разнообразие мембрани, които могат да съществуват в различните измерения. Има мембрани с формата на понички с един отвор, понички с много отвори, пресичащи се мембрани и т.н.

Да си припомним историята за слепците и слона. Всеки докосва животното на различно място и излиза със своя собствена теория. Единият хванал слона за опашката и казал, че той е 0-брана (струна). Другият напипал ухото и обявил, че слонът е дву-брана (мембрана). А третият заявил, че първите двама грешат. Той докоснал приличащия на дърво крак и решил, че слонът е три-брана. Тримата са слепи и не могат да видят цялата картина — че общият сбор от тези брани е всъщност слон.

По същия начин е трудно да се приеме, че стотиците мембрани в М-теорията са по един или друг начин фундаментални. Днес все още не сме в състояние да разберем напълно М-теорията. Моята лична гледна точка, която следвам при сегашното си проучване, е, че тези мембрани и струни представляват „кондензиране“ на пространството. Айнщайн се опита да опише материята с чисто геометрични средства, като някакви гънки в тъканта на континуума пространство-време. Ако вземем например чаршаф и върху него се образува гънка, тя се държи така, сякаш живее свой собствен живот. Айнщайн се опита да моделира електрона и другите елементарни частици като един вид смущения в геометрията на континуума пространство-време. Въпреки че в крайна сметка това не му се отдаде, идеята може да се възкреси на много по-високо ниво чрез М-теорията.

Смятам, че Айнщайн е бил на прав път. Идеята му е да получи субатомната физика от геометрията. Вместо да се опитваме да намерим геометричен аналог на частиците точки, както прави Айнщайн, ние бихме могли да ревизираме стратегията му и да се опитаме да изградим геометрични аналози на струните и мембраните, направени от чисто пространство-време.

Един от начините да видим логиката на този подход е да се обърнем към историята на физиката. В миналото учените се сблъсквали с цял спектър от тела и постепенно разбрали, че зад тях има нещо фундаментално. Например, когато сме открили спектралните линии на водорода, в крайна сметка сме разбрали, че те се причиняват от атома, от квантовите скокове на електрона при обиколката му около ядрото. По същия начин, когато се сблъскали с разпространението на силните частици през 50-те, физиците най-накрая си дали сметка, че те всъщност представляват особени състояния на кварки. А след като се изправиха срещу кварките и другите „елементарни“ частици на Стандартния модел, повечето започнаха да смятат, че те всъщност представляват трептене на струна.

При М-теорията сме изправени пред p-брани от всякакъв вид. Трудно е да се приеме, че те могат да бъдат фундаментални, просто защото са прекалено много и са наследствено нестабилни и дивергентни. Разумно и в съзвучие с историческия подход е да се приеме, че М-теорията произлиза от някаква още по-проста парадигма — може би от самата геометрия.

За да решим този фундаментален въпрос, трябва да знаем физичния принцип зад теорията, а не само екзотичната й математика. Брайън Грийн казва: „В момента занимаващите се със струнната теория учени са в позицията на лишения от принципа на еквивалентност Айнщайн. След налучкването на Венециано през 1968 г. теорията беше съшита в едно цяло — откритие след откритие и революция след революция. Но общият принцип, който обединява тези открития и всички други характеристики в една стройна симетрична рамка — рамка, която прави съществуването на всеки съставен елемент абсолютно неизбежно — все още липсва. Откриването на този принцип ще отбележи кардинален момент в развитието на струнната теория, тъй като ще обясни начина й на действие по възможно най-ясния начин.“^[32]

Това би дало смисъл и на милионите открити досега решения на струнната теория, всяко от които представлява напълно обособена вселена. В миналото се предполагаше, че сред това изобилие от решения съществува само едно истинско. Днес начинът ни на мислене се променя. Засега няма начин да изберем една от милионите възможни вселени. Все повече учени смятат, че щом не сме в състояние да намерим едно уникално решение на струнната теория, то вероятно такова не съществува. Всички решения са равнопоставени. Съществува мултивселена от вселени, всяка от които е съвместима със законите на физиката. А това ни води до т.нар. антропен принцип и възможността за „проектирана вселена“.

Бележки

[1] Nahin, p. 147. ↑

[2] Wells 2, p. 20. ↑

[3] Pais 2, p. 179. ↑

[4] Moore, p. 432. ↑

[5] Kaku 2, p. 137. ↑

[6] Davies 2, p. 102. ↑

[7] По принцип нашата полева теория на струните може да обобщи цялата струнна теория. Самата теория обаче не бе в завършен вид, тъй като изискването на Лоренц за инвариантността бе нарушен. По-късно Уитън успя да изведе елегантна версия на открита бозонна полева теория на струните, която бе ковариантна. По-късно групата от Масачузетския технологичен институт, групата от Киото и аз успяхме да конструираме ковариантна затворена бозонна полева теория (която обаче не беше многоелементна и затова — трудна за използване). Днес благодарение на М-теорията интересът се прехвърли към мембраните, но все още не е ясно дали може да се изгради истинска мембранна теория на полето. ↑

[8] Има няколко причини предпочитаният брой измерения в струнната теория и М-теорията да са десет и единадесет. Първо, ако разгледаме презентациите на групата на Лоренц за наличието на все по-висши измерения ще забележим, че като цяло броят на фермионите нараства експоненциално с броя на измеренията, докато броят на бозоните се увеличава линейно. Ето защо можем да имаме суперсиметрична теория с равен брой фермиони и бозони само за малък брой измерения. Ако подложим на анализ теорията на групата, ще открием, че имаме идеално равновесие при наличието на десет и единадесет измерения (ако приемем, че максималният спин на частицата е две, а не три или повече). Така изцяло теоретично можем да покажем, че предпочитаният брой измерения са десет и единадесет.

Има и други начини да се покаже, че десет и единадесет са „магически числа“. Ако разгледаме по-високите затворени диаграми ще видим, че като цяло единството им не се запазва, което е гибелно за теорията. Това означава, че частиците могат да се появяват и изчезват като при махване с магическа пръчица. Ще видим, че единството се възстановява за теорията на пертурбациите в тези измерения.

Можем също да покажем, че при наличието на десет и единадесет измерения „призрачните“ частици могат да бъдат накарани да изчезнат. Това са частици, които не се подчиняват на обичайните условия за физически частици.

Накратко, можем да покажем, че в тези „магически числа“ сме в състояние да запазим (а) свръхсиметрията, (б) крайността на пертурбационната теория, (в) единството на пертурбационните серии, (г) инвариантността на Лоренц и (д) анулирането на аномалиите. ↑

[9] Личен разговор. ↑

[10] Когато се опитват да обяснят някоя сложна теория, физиците често използват теорията за пертурбацията — идеята първо да обяснят някоя по-проста теория и след това да анализират малките отклонения от нея. Тези малки отклонения на свой ред ни дават безкраен брой малки коригиращи фактори към оригиналната идеализирана теория. Всяка корекция обикновено се нарича диаграма на Файнман и може да се опише графично чрез диаграми, представящи всички възможни начини, по които се сблъскват различните частици.

Отначало физиците се тревожели от факта, че елементите в теорията за пертурбацията стават безкрайно много и така правят цялата програма безсмислена. Файнман и колегите му обаче откриха серия гениални трикове и манипулации, с чиято помощ успяха да елиминират безкрайностите (което им донесе и Нобелова награда през 1965 г.).

Проблемът с квантовата гравитация е в това, че наборът квантови корекции всъщност е безкраен — всеки коригиращ фактор е равен на безкрайност, дори и да използваме триковете на Файнман и екипа му. Затова казваме, че квантовата гравитация не може да се ренормализира.

При струнната теория това разширяване на пертурбациите е крайно, което е и основната причина да се занимаваме с нея. (От техническа гледна точка категорично доказателство на теорията не съществува. Същевременно обаче безкрайният клас от диаграми може да се представи като краен, а освен това бяха представени някои математически аргументи, според които теорията е по всяка вероятност крайна във всяко отношение.) Разширяването на пертурбациите обаче само по себе си не е в състояние да представи вселената такава, каквато я познаваме, тъй като запазва съвършена свръхсиметрия, каквато реално не наблюдаваме. Ние виждаме, че симетриите във вселената са ужасно нарушени (например не разполагаме с експериментални данни за свръхчастици). Ето защо физиците искат „спокойно“ описание на струнната теория, което е изключително трудна задача. Всъщност понастоящем не съществува единен начин за изчисляване на подобни корекции на квантовата теория на полето. Проблемите при такова описание са прекалено много. Например, ако искаме да увеличим стойността на силите в теорията, това означава всеки елемент в теорията за пертурбацията да става все по-голям и по-голям, докато самата теория не стане безсмислена. Например сумата 1 + 2 + 3 + 4… няма смисъл, тъй като елементът става все по-голям и по-голям. Предимството на М-теорията е в това, че за първи път можем да установим подобни резултати чрез дуалност. Това означава, че ограничението на една струнна теория може да се окаже еквивалентно на друга струнна теория. ↑

[11] Струнната теория и М-теорията представляват коренно нов подход към общата теория на относителността. Докато Айнщайн разработва общата теория на относителността около концепцията за изкривения континуум пространство-време, струнната теория и М-теорията се основават на идеята за издължен обект като струна или мембрана, който се движи през свръхсиметрично пространство. В крайна сметка може да се окаже възможно сливането на двете картини, но понастоящем това все още не е доказано. ↑

[12] Discover magazine, Aug. 1991, p. 56. ↑

[13] Barrow 2, p. 305. ↑

[14] Barrow 2, p. 205. ↑

[15] Barrow 2, p. 205. ↑

[16] В края на 60-те, когато физиците едва започваха да търсят симетрия, която да включва всички частици във вселената, гравитацията не влизаше в сметките им. Това се дължи на факта, че има два типа симетрии. Симетриите, които имаме във физиката на елементарните частици, позволяват размяната на едни частици с други. Съществува обаче и друг вид симетрии, които превръщат пространството във време, и именно те са свързани с гравитацията. Гравитационната теория не се основава на симетриите с размяна на частици, а на симетриите на ротации в четири измерения, или Лоренцовата група в четири измерения O_(3,1).

По същото време Сидни Колмън и Джефри Мандула доказаха известната теорема, според която е невъзможно да се съчетаят включващите гравитацията пространствено-времеви симетрии със симетриите, описващи субатомните частици. Тази пречка спираше всеки опит за изработване на „върховна симетрия“ на вселената. Например ако някой се опита да съчетае GUT-симетрията SU₍₅₎ с относителната симетрия O_(3,1), ще стигне до задънена улица. Вместо дискретни, масите на частиците изведнъж ще се окажат продължителни стойности. Това бе крайно разочароващо, тъй като означаваше, че гравитацията не може просто да се прибави към останалите сили и да се получи симетрия от по-висок порядък. Оттук изглеждаше, че общата теория на полето е невъзможна.

Струнната теория обаче решава всички тези трънливи проблеми с най-мощната симетрия, известна във физиката на елементарните частици — суперсиметрията. Понастоящем суперсиметрията е единственият известен начин за избягване на теоремата на Колмън-Мандула. (Суперсиметрията използва една малка, но жизненоважна вратичка в теоремата. Обикновено когато използваме числа като a и b, ние приемаме, че a b = b a. Това се приема мълчаливо от теоремата на Колмън-Мандула. При суперсиметрията обаче използваме „суперчисла“, така че a b = –b а. Тези суперчисла имат странни свойства. Например при a a = 0 стойността на a може да е различна от 0, което е абсурдно за обикновените числа. Ако в теоремата на Колмън-Мандула използваме суперчисла, ще открием, че тя е невярна.) ↑

[17] На първо място суперсиметрията решава проблема с йерархията, който обрича на пълен неуспех GUT-теорията. При разработването на обща теория на полето получаваме две доста различни скали на масите. Масите на някои частици като протона са същите, каквито ги откриваме при обичайните експерименти. Други частици обаче са твърде масивни и енергиите им са сравними с енергията, която откриваме при Големия взрив — енергията на Планк. Тези две ска̀ли трябва да се разглеждат поотделно. Когато обаче ги приложим в квантовите корекции, настъпва катастрофа. Поради квантовите флуктуации двата типа маса започват да се смесват, тъй като съществува крайна вероятност една група леки частици да се превърне в друга група тежки частици и обратно. Това означава, че трябва да съществува множество от частици, чиито маси варират плавно между обичайните маси и онези, които са съществували по времето на Големия взрив и които не можем да наблюдаваме в момента. Точно тук се намесва суперсиметрията. Може да се покаже, че в една суперсиметрична теория двете енергийни скали не се смесват. Налице е прекрасен процес на взаимно унищожаване, така че двете скали никога не си взаимодействат. Фермионите анулират бозоните и така се получават крайни резултати. Доколкото знаем, суперсиметрията може да е единственото решение на проблема с йерархията.

Освен това суперсиметрията решава проблема с теоремата на Колмън-Мандула от 60-те, която показва, че е невъзможно една симетрична група, действаща при кварките (като SU₍₃₎) да се съчетае със симетрия на континуума пространство-време, каквато е теорията на относителността на Айнщайн. Така от теоремата излиза, че обединителната симетрия е невъзможна. Суперсиметрията обаче предлага изход от теоремата и това е едно от големите теоретически постижения. ↑

[18] Cole, p. 174. ↑

[19] Wilzcek, p. 138. ↑

[20] www.edge.org, Feb. 10, 2003. ↑

[21] www.edge.org, Feb. 10, 2003. ↑

[22] Seife, p. 197. ↑

[23] Astronomy magazine, May 2002, p. 34. ↑

[24] Ibid. ↑

[25] Ibid. ↑

[26] Discover magazine, Feb. 2004, p. 41. ↑

[27] Astronomy magazine, May 20.02, p. 39. ↑

[28] Greene 1, p. 343. ↑

[29] Всъщност Малдацена показа, че свитата до петизмерна анти-Де Ситерова вселена струнна теория от втори тип е дуална на съответна четириизмерна теория на полето, разположена на границата й. Първоначалната идея бе да се установи някаква модифицирана версия на тази странна дуалност между струнната теория и четириизмерната квантова хромодинамика — теорията на силните взаимодействия. Изграждането на подобна дуалност би представлявало сериозно постижение, тъй като ще позволи изчисляването на свойствата на силно взаимодействащите си частици като протона направо от струнната теория. Засега тези надежди си остават неоправдани. ↑

[30] Scientific American, Aug. 2003, p. 65. ↑

[31] Ibid. ↑

[32] Greene 1, p. 376. ↑

Към следващата част или към съдържанието

Мичио Каку Паралелни светове (9)

Метаданни

Данни

Паралелни светове

Информация

История

Сваляне / Връзки

7М-теорията — майката на всички струни

М-теорията

История на струнната теория

Десетте измерения

Победоносната струна

Космическата музика

Проблеми на хиперпространството

Защо точно струни

Суперсиметрия

Извеждане на Стандартния модел

М-теорията

Загадката на супергравитацията

Единадесетото измерение

Бранен свят

Дуалност

Лиза Рендъл

Сблъскващи се вселени

Миниатюрни черни дупки

Черните дупки и информационният парадокс

Холографската вселена

Възможно ли е вселената да е компютърна програма

Краят

Мичио Каку
Паралелни светове (9)

7
М-теорията — майката на всички струни