Маленькая книга о большой теории струн: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Ранее я упоминал о связи между замедлением времени и кинетической энергией. Давайте поговорим об этом подробнее. Кинетическая энергия — это энергия движения. Время замедляется тогда, когда вы движетесь. Если вы движетесь настолько быстро, что ваша полная энергия равна удвоенной энергии покоя, то время замедляется в два раза. Если ваша полная энергия равна учетверённой энергии покоя, то время течёт в четыре раза медленнее.

Что-то очень похожее происходит и с гравитационным замедлением времени (астрофизики ещё используют термин «красное смещение»), только оно связано не с кинетической, а с гравитационной энергией. Гравитационная энергия — это энергия, которую вы приобретаете в процессе падения. Если фрагмент космического мусора падает на Землю, то энергия, которую он приобретает в процессе падения, составляет чуть больше одной миллиардной его массы покоя. И совершенно не случайно, что именно на такую же величину замедляется время наблюдателя, перемещённого из дальнего космоса на поверхность Земли. Время течёт по-разному в разных гравитационных полях. Следует оговориться, что эти рассуждения верны для не слишком сильных гравитационных полей. Все предметы как будто чувствуют замедление времени и стремятся падать из мест, где время течёт быстрее, в места, где время течёт медленнее. Сила тяжести, которую вы ощущаете и которую мы называем гравитацией, — это фактически разница в темпе течения времени в более «высоких» и более «низких» местах.

Чёрные дыры не совсем чёрные

Интерес струнных теоретиков к чёрным дырам возник в основном из-за квантово-механических свойств последних. Квантовая механика перевернула определяющие свойства чёрных дыр с ног на голову. Так, горизонт чёрной дыры перестал быть чёрным. Чёрные дыры светятся, как тлеющие угли, однако их свечение очень слабое и очень холодное, по крайней мере когда речь идёт о чёрных дырах, с которыми имеют дело астрофизики. Свечение чёрных дыр означает, что они обладают температурой. Эта температура связана с величиной гравитации у поверхности чёрной дыры. Чем больше чёрная дыра, тем ниже температура, по крайней мере пока мы говорим об астрофизических чёрных дырах.

Раз уж у нас появилась температура, давайте поговорим о ней. Правильнее всего рассказывать о температуре в терминах тепловой энергии, или теплоты. Теплота кружки горячего чая обусловливается микроскопическими движениями молекул воды. Охлаждая воду, вы отнимаете у неё тепловую энергию: каждая молекула воды начинает двигаться всё менее и менее энергично. В конце концов вода замерзает и превращается в лёд. Это происходит при нуле градусов Цельсия. Но молекулы воды в массе льда по-прежнему движутся — они колеблются вокруг положений равновесия в узлах кристаллической решётки льда. По мере дальнейшего охлаждения льда молекулы будут вибрировать всё слабее и слабее, пока при температуре −273,15 °C не застынут полностью... Ну... почти полностью — полностью остановиться им не даст квантово-механический принцип неопределённости. Невозможно охладить что-либо ниже −273,15 °C, поскольку при этой температуре у тела уже не остаётся тепловой энергии, которую можно было бы у него отнять. Наинизшая из всех возможных температур носит название абсолютного нуля.

Важно помнить, что квантовая механика запрещает молекулам воды полностью остановиться даже при температуре абсолютного нуля. Остановимся на этом моменте немного подробнее. Напишем соотношение неопределённостей: Δp × Δx ≥ h/4π. В кристалле льда мы довольно точно можем сказать, где какая молекула располагается. Это означает, что Δx очень мало, по крайней мере меньше, чем расстояние между соседними молекулами. А если Δx очень мало, то Δp не может быть слишком малым. То есть, согласно квантовой механике, отдельные молекулы воды продолжают «дрожать», даже будучи замороженными в кубике льда при абсолютном нуле. Они обладают некоторой энергией, которая может быть ассоциирована с колебаниями. Это явление носит название нулевые колебания. Мы уже имели дело с чем-то похожим, когда говорили об атоме водорода. Если вы помните, я сравнил минимальную энергию электрона в атоме водорода с основной гармоникой фортепианной струны. Разница в том, что колебания струны со временем затухают, а электрон по-прежнему движется. В положении и импульсе электрона присутствует неопределённость. Иногда, описывая это явление, говорят, что электрон испытывает квантовые флуктуации. Энергия его основного состояния может рассматриваться как энергия нулевых колебаний.

Таким образом, существует два типа колебаний, которым подвержены молекулы воды в кубике льда: тепловые колебания и квантовые флуктуации. Вы можете избавиться от тепловых колебаний, охладив лёд до абсолютного нуля. Но вы не можете избавиться от квантовых флуктуаций.

Идея абсолютного нуля температуры оказалась настолько полезной, что физики даже сместили начало температурной шкалы в эту точку. Новая температурная шкала получила название шкалы Кельвина. Один градус кельвина, или, как часто говорят, просто один кельвин, соответствует одному градусу выше абсолютного нуля, или −273,15 °C. 273,15 кельвинов соответствуют 0 °C — температуре таяния льда. Характерная энергия тепловых колебаний связана с температурой, выраженной в кельвинах, очень простым соотношением: E = kBT, где kB — так называемая постоянная Больцмана. Например, при температуре таяния льда тепловая энергия молекул воды, согласно этой формуле, составляет порядка одной сороковой электрон-вольта. Это примерно в сто раз меньше, чем энергия, необходимая для того, чтобы выбить электрон из атома натрия, а эта энергия, как вы помните из главы 2, составляет около 2,3 электрон-вольта.

Чтобы вы лучше почувствовали новую температурную шкалу, я приведу в качестве примера несколько интересных температурных точек на ней. Воздух переходит в жидкое состояние при 77 кельвинах, или −196 °C. Комнатная температура (скажем, +22 °C) соответствует 295 кельвинам.

Физикам удалось охладить вещество до температур порядка одной тысячной кельвина. Поверхность Солнца имеет температуру немного ниже 6000 кельвинов, а в центре Солнца температура достигает 16 миллионов кельвинов.

Но как всё это применить к чёрным дырам? Чёрные дыры не состоят из молекул, колебания которых можно было бы рассматривать как тепловые или квантовые. Чёрные дыры состоят из пустого пространства, горизонта и сингулярности. Получается, что пустое пространство — довольно сложная вещь. В нём происходят квантовые флуктуации, которые можно описать как спонтанное рождение и уничтожение пар частиц. Если рождение такой пары произойдёт у самого горизонта событий, то может случиться так, что одна из частиц провалится под горизонт, а вторая улетит прочь, унося с собой часть энергии чёрной дыры. Процессы такого типа позволяют приписать поверхности чёрной дыры ненулевую температуру. Иначе говоря, горизонт преобразует некоторые из вездесущих квантовых флуктуаций пространства-времени в тепловую энергию. Тепловое излучение чёрной дыры очень слабое, и оно соответствует очень низкой температуре. Допустим, что чёрная дыра образуется в результате гравитационного коллапса тяжёлой звезды, масса которой в несколько раз превышает массу Солнца. Температура такой чёрной дыры составит всего лишь двадцать миллиардных долей кельвина, или 2×10⁻⁸ кельвина. Чёрная дыра, находящаяся в центре Галактики, гораздо тяжелее: в миллионы, а может быть, и в миллиард раз тяжелее Солнца. Температура чёрной дыры с массой в пять миллионов солнечных составит одну стотриллионную кельвина, или 10⁻¹⁴ кельвина.

Но что действительно очаровывает струнных теоретиков, так это не столько низкая температура горизонтов чёрных дыр, сколько возможность описания определённых объектов в теории струн, известных как D-браны, в виде очень маленьких чёрных дыр. Эти микроскопические чёрные дыры могут иметь широкий диапазон температур: от абсолютного нуля до сколь угодно больших значений. Теория струн интерпретирует температуру микроскопических чёрных дыр как тепловые колебания на D-бране. Я подробнее расскажу о D-бранах в следующей главе, а в главе 5 объясню, какое отношение имеют D-браны к микроскопическим чёрным дырам. Эта реляция лежит в основе последних исследований, призванных описать, что именно происходит при столкновениях тяжёлых ионов, с точки зрения теории струн. Речь о них пойдёт в главе 8.

Глава 4

Теория струн

Учась в Принстоне на втором курсе, я записался на лекции по римской истории. Курс был посвящён в основном Римской республике. В ходе изучения я обратил внимание, как римляне сочетали мирные и военные достижения. Они эволюционировали от неписаной конституции и зачатков представительной демократии к развитому гражданскому обществу, подчинив себе сначала ближайших соседей, потом весь Апеннинский полуостров и, наконец, установив своё господство на всём Средиземноморье и за его пределами. Не менее увлекательны и гражданские войны Поздней республики, закончившиеся установлением тирании и образованием империи.

И в современном английском языке, и в американском праве звучит эхо Древнего Рима. К чему далеко ходить — возьмите двадцатипятицентовую монету. Если монета отчеканена до 1999 года, то на её реверсе вы увидите орла, сидящего на пучке прутьев. Такой пучок называется «фасция» и является древнеримским символом власти. Римляне внесли огромный вклад в литературу, искусство, архитектуру, военную тактику и стратегию. А принятие римлянами христианства позволило последнему дожить до наших дней.

Меня восхищает римская история, но я не упомянул бы о ней, если бы она не вызывала у меня ассоциаций с темой моей книги — с теорией струн. Мы замечаем вокруг себя следы древнеримской культуры, но нас разделяют века. Энергетическая шкала физических явлений, описываемых теорией струн, конечно, если последняя верна, простирается настолько далеко, что это «далеко» лежит за пределами возможностей наших измерительных приборов. Если бы мы были способны охватить весь струнно-теоретический спектр энергий, то непосредственно наблюдали бы все те экзотические вещи, о которых я собираюсь рассказать: дополнительные измерения, D-браны, дуальности и многое другое. Всё это лежит в основе нашего наблюдаемого мира (повторюсь: если теория струн верна), подобно тому как древнеримская цивилизация лежит в основе нашего сегодняшнего общественного устройства. Только теорию струн отделяют от повседневного опыта не века истории, а порядки значений энергии. Чтобы достичь тех энергий, при которых можно непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений, предсказываемых теорией струн, ускорители элементарных частиц должны быть в сто триллионов раз мощнее, чем используемые сегодня.

Эта энергетическая пропасть ставит физиков в неловкое положение, вынуждая признать, что проверить теорию струн крайне трудно. В главах 7 и 8 я расскажу о попытках таких проверок, а в этой и двух следующих сосредоточусь на описании теории струн в терминах самой теории струн, без каких бы то ни было апелляций к реальному миру, за исключением разве что отдельных аналогий, которые потребуются для более наглядного объяснения. Представьте, что я пересказываю краткий курс римской истории: повествование изобилует множеством неожиданных развилок и поворотов, и зачастую вам трудно удержать его нить. Но мы изучаем древних римлян не столько для того, чтобы понять их, сколько для того, чтобы понять самих себя. Вот точно так же и теория струн содержит массу неожиданных развилок и поворотов, и я не ожидаю, что мои объяснения окажутся простыми и понятными, но надеюсь, что глубокое понимание теории струн поможет лучше понять наш реальный мир.

В данной главе мы сделаем три важных шага к этому пониманию. Первый шаг позволит увидеть, как теория струн разрешает фундаментальное противоречие между теорией гравитации и квантовой механикой. Второй шаг объяснит, каким образом струны колеблются и движутся в пространстве-времени. Третий — даст представление о том, как само пространство-время возникает в наиболее широко используемом математическом описании струн.

Гравитация против квантовой механики

Квантовая механика и Общая теория относительности — две триумфальные физические теории, возникшие в начале XX века, — как оказалось, не согласованы друг с другом. Трудность возникает при применении метода, получившего название перенормировка. Я расскажу о перенормировке на примере фотонов и гравитонов, о которых мы уже говорили в предыдущих главах. Суть несогласованности состоит в том, что фотоны приводят нас к перенормируемой теории (что означает: «хорошая теория»), тогда как гравитоны приводят к неперенормируемой теории, и это фактически означает, что у нас нет общей теории, описывающей фотоны и гравитоны.

Фотоны взаимодействуют с электрическими зарядами, но при этом сами по себе электрически нейтральны. Например, имеющий электрический заряд электрон в атоме водорода, перескакивая с одного энергетического уровня на другой, излучает фотон. Именно это я имею в виду, когда говорю, что фотоны взаимодействуют с зарядами. Утверждение, что сам фотон не имеет электрического заряда, равносильно утверждению, что свет не проводит электричество. Если бы это было не так, то вы каждый раз получали бы удар током, схватившись за какой-нибудь предмет, который достаточно долго пролежал на солнечном свету. Фотоны не взаимодействуют друг с другом; они взаимодействуют только с электрическими зарядами.

Гравитоны реагируют не на заряды, а на массу, энергию и импульс. А поскольку они переносят энергию, то взаимодействуют и друг с другом. Может показаться, что это не представляет особой проблемы, однако именно из-за этого мы и сталкиваемся с трудностями. Квантовая механика учит нас, что гравитоны ведут себя и как волны, и как частицы. Частицы гипотетически являются точечными объектами. А точечный гравитон будет притягивать вас тем сильнее, чем ближе к нему вы окажетесь. Его гравитационное поле может быть описано как испускание других гравитонов. Мы будем называть пробный гравитон материнским, а испускаемые им гравитоны — дочерними. Гравитационное поле вблизи материнского гравитона является очень сильным. А значит, его дочерние гравитоны обладают огромными энергиями и импульсами. Это непосредственно следует из принципа неопределённости: дочерние гравитоны наблюдаются на очень небольшом расстоянии Δx от материнского гравитона, и поэтому, согласно соотношению неопределённостей, Δp × Δx ≥ h/4π, неопределённость их импульса, Δp, очень велика. Беда в том, что гравитоны также чувствительны и к импульсу. Дочерние гравитоны сами будут испускать гравитоны. Весь процесс ветвится и невероятно быстро расходится: вы не можете учесть все последствия взаимодействия всех гравитонов.

На самом деле нечто подобное происходит и возле электрона. Если вы попытаетесь измерить электрическое поле очень близко к электрону, то спровоцируете его испустить фотон с очень большим импульсом. Это кажется безобидным, потому что, как мы знаем, фотоны не испускают другие фотоны. Беда в том, что фотон может родить электрон-позитронную пару, которая затем испустит ещё больше фотонов, которые породят новые электроны и позитроны... Полный бардак! Самое удивительное, что в случае с электронами и фотонами вы тем не менее можете полностью описать всё множество частиц, каскадно рождаемых друг от друга. Иногда говорят об одежде, или «шубе», из потомства, в которую укутан электрон. Физики употребляют для описания электронного потомства термин «виртуальные частицы». Перенормировка — это математический метод, позволяющий отследить всю эту кашу.

Слева: электрон (e−) испускает виртуальные частицы: фотоны (γ), позитроны (e+) и другие электроны. Каскад частиц нарастает сравнительно медленно для того, чтобы мы сумели отследить процесс математически, используя перенормировку. Справа: гравитон (h) испускает такое множество виртуальных гравитонов, что никакая перенормировка не в состоянии описать весь процесс

Идея перенормировки состоит в том, что «голый» электрон предполагается имеющим бесконечный заряд и бесконечную массу, но как только мы «одели» электрон, его заряд и масса приобретают конечные значения.

Проблема с гравитонами состоит в том, что мы не в состоянии перенормировать облако окружающих его виртуальных гравитонов. Общая теория относительности — теория гравитации — является неперенормируемой. Это может показаться просто запутанной технической проблемой: остаётся слабый шанс, что мы просто смотрим на проблему с неправильной стороны. Также существует ещё более слабый шанс, что теория, называемая Максимальной теорией супергравитации, окажется перенормируемой. Однако я и большинство струнных теоретиков уверены, что существуют фундаментальные трудности в объединении квантовой механики и гравитации.

Гравитон расщепляется внезапно. Расщепление струны происходит в некоторой конечной области пространства-времени, обеспечивая «мягкость» процесса

Теперь возьмём теорию струн. Исходное предположение, лежащее в её основе, заключается в том, что частицы не являются точечными. Вместо этого частицы представляются в виде колебательных мод струны. Согласно общепринятой идее теории струн, струны — это бесконечно тонкие, но имеющие конечную длину (порядка 10⁻³⁴ метра) объекты, взаимодействующие друг с другом на манер гравитонов. «Стоп-стоп! — запротестуете вы. — Но разве в этом случае общие проблемы с облаком виртуальных частиц — в данном случае виртуальных струн — не приведут нас к такой же невозможности отследить весь процесс взаимодействия, как и в случае с гравитонами?» Нет. Тот факт, что струны не являются точечными объектами, убивает описанную проблему в зародыше. Источником трудности в случае с гравитонами является предположение, что они, в соответствии с термином «точечная частица», имеют бесконечно малые размеры. Замена гравитонов колеблющимися струнами сглаживает «острые углы» их взаимодействия друг с другом. «На пальцах» это можно пояснить так: когда гравитон порождает другой виртуальный гравитон, вы можете точно указать место и время, где это произошло. Но когда разветвляется струна, это выглядит как ответвление водопроводной трубы.