Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Мир — оркестр? [Супер]струнный!

Кино сближает науку с жизнью

  
Расследуя взрыв на пароме, унесший жизни более 500 человек, герои фильма заглядывают в прошлое. Сделать это позволяет стабильная «кротовая нора», устья которой отстоят на 102 часа  друг от друга. Как теоретическое построение, «кротовая нора» известна с 1950-х годов, однако только в теории струн была показана возможность существования временных петель. Научным консультантом фильма стал один из ведущих ученых в области струнной теории и ее популяризатор Брайан Грин. Объясняя съемочной группе теории о путешествии во времени, Грин привел такой пример: «…мы это делаем постоянно… Например, глядя на себя в зеркало с расстояния 2,5 метра, вы можете думать, что смотрите на себя прямо сейчас, но на самом деле вы смотрите на того человека, каким вы были 16 наносекунд назад! (Ровно столько времени требуется, чтобы свет, отраженный от вашего лица, дошел до зеркала и вернулся обратно.) То есть в некотором смысле вы смотрите в прошлое…». Фото: The Walt Disney Company

Состоявшаяся неделю назад премьера нового фильма Тони Скотта (Tony Scott) «Дежа вю» («Deja vu»), возможно, обозначает начало совершенно новой эпохи в истории взаимоотношений искусства и современной науки. До самого последнего времени даже создатели научно-фантастических фильмов до смешного мало внимания обращали на новые научные идеи. Их в лучшем случае интересовали определенные технические новинки и красивые слова из научного лексикона — как же приятно, когда герой то помянет «клонирование», заговорит об «искривлении пространственно-временного континуума» или вдруг обзовет что-нибудь «фракталом». Глупо обижаться, что слова эти использованы ни к селу, ни к городу — они говорятся не для того, чтобы обратиться к связанным с ними теориям, их задача показать зрителю (читателю или слушателю), что герой не лыком шит.

Этот разрыв науки и искусства — явление относительно новое. Оно возникло только в середине ХХ века, когда стало ясно, что все усилия общества «переварить» теорию относительности остались тщетными, несмотря на уникальный популяризаторский талант Эйнштейна. Судьба квантовой механики сложилась еще более прискорбно: общественное мнение даже не стало пытаться как-то к ней подступиться. Послевоенные теории произвели чуть слышное эхо, что неприметной рябью прошлось по страницам романов и сценам кинофильмов в виде маловразумительных разговоров о бабочках, которые, помахав крылышками в Австралии, вызывают ураган во Флориде, или о петлях времени, которые позволяют герою успешно бить себя по голове целую неделю.

Вообще идея путешествия во времени не нова. Примеры вполне успешного применения ее в художественных целях мы можем найти и у Герберта Уэллса, и у Рея Брэдбери, да и мало ли у кого еще. Поразительно, что за двадцать лет существования теории машины времени в современной физике никто из писателей или сценаристов не попытался, что называется, навести здесь какие-то мосты.

Тони Скотт оказался в этом деле пионером, пригласив консультантом нью-йоркского физика Брайана Грина (Brian Greene), автора популярной книги «Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиск окончательной теории». Объяснения, что происходит с героями фильма, следует искать в теории струн, облегченный вариант которой подразумевается «за кадром».

Прикосновения к струнам души

  
Согласно теории струн, в основе мироздания лежат не микрочастицы, а струны, столь микроскопические, что их возможно только вычислить. Видимые микрочастицы — это порождение вибраций этих струн. Иллюстрация: Олег Сендюрев 

Теория струн является в настоящее время одной из наиболее динамично развивающихся, и в то же время одной из самых спорных «отраслей» современной физики. С одной стороны ряд физиков, например, один из её активных разработчиков Эдвард Виттен (Edward Witten), или Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) выступают как апологеты теории струн, наделяя её способностью объяснить фундаментальные свойства мира. С другой стороны, много первоклассных физиков-теоретиков с мировым именем, таких как Роджер Пенроуз (Roger Penrose) или Нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу (Sheldon Glashow), смотрят на будущее теории струн весьма и весьма скептически. Правоту тех или других определит дальнейшее развитие этой теории, которая уже имеет солидный, почти сорокалетний исторический багаж.

В развитии теории струн условно можно выделить три этапа. Первый, когда происходил генезис основных понятий, концепций и принципов, продолжался с 1968 приблизительно по 1984. Его достижения связаны с именами четырех ученых: Габриэле Венициано (Gabriele Veneziano), Йохиро Намбу (Nambu Yoichiro), Джона Шварца (John Schwarz) и Джоэла Шерка (Joel Sherk). Первый предложил использовать определённый математический формализм для описания частиц сильного взаимодействия, второй подыскал физические интерпретации этому абстрактному математическому подходу, и последние двое обобщили идеи Намбу на гравитационное взаимодействие. Безусловно, самой значимой в цепи этих событий была физическая интерпретация.

Предложенное Йохиро Намбу описание частиц сильного взаимодействия означает, что эти частицы — не точечные объекты, в которых «сосредоточены» все их физические характеристики (так представлялись все элементарные частицы раньше), а пространственно протяжённые одномерные объекты — струны, находящиеся в состоянии устойчивых и не зависящих от внешних факторов собственных колебаний. Как у колеблющейся струны гитары или скрипки могут быть различные гармоники, так и у «струнных» элементарных частиц могут быть разные состояния, или моды, обладающие разными физическими свойствами.

  
Суперструны существуют в 10-мерном пространстве-времени. Для того, чтобы с помощью теории суперструн описать Вселенную, нужно связать между собой 10-мерное и 4-мерное (3 пространственные и одна временная координаты, которые подвластны человеческому восприятию) пространства. Для этого 6 дополнительных измерений сворачивают до очень маленького размера. В итоге получается привычное нам 4-мерное пространство, каждой точке которого отвечает крохотное 6-мерное пространство, так называемое Калаби-Яу. Иллюстрация: Lubos Motl 
Подобное представление является принципиально новым в физике микромира. До него физические характеристики частиц выступали как «начальные и независимые данные», точные значения которых мы должны взять из эксперимента. Это была данность, которую мы были не в состоянии объяснить какими-либо другими причинами, и, конечно же, теория струн, предложив эти причины, вызвала к себе повышенное внимание. Однако интерес научного сообщества к этой теории достаточно быстро спал, поскольку вскоре выяснилось, что она входит в противоречие с квантовой механикой, в то время уже хорошо теоретически разработанной и экспериментально подтверждённой.

Второй период развития теории струн протекал с 1984 по 1995 годы, и основные достижения были связаны с именами Брайана Грина и Джона Шварца. Они сумели показать, как избежать противоречий между теорией струн и квантовой теорией, а самое главное — обобщить струнный подход на все известные типы частиц вещества и поля. Их обобщение вызвало необходимость в детальных теоретических разработках, которые, в свою очередь, требовали развития специфического, очень сложного математического аппарата. Это развитие происходило не всегда линейно, на его пути возникали сложности и проблемы, что в конечном итоге уменьшило привлекательность теории струн. Тогда же теорию струн пришлось преобразовать и в теорию суперструн, необходимость такого преобразования была связана с развитием теории суперсимметрий, которые предполагали определенную симметрию между частицами вещества и поля. Соответственно, поскольку теория струн описывала элементарные частицы, требование суперсимметрии стало необходимым требованием и для струнной теории.

Третий период развития теории струн начался с 1995 года, когда Эдвард Виттен стал рассматривать сложившиеся к тому времени пять различных вариантов теории струн (суперструн), рассматривавших и замкнутые, и не замкнутые струны, как единую теорию. Его теорию назвали М-теорией. Почему именно «М», никто не знает: одни думают, что это первая буква от английского «Mystery» — тайна, загадка, другие считают, что это сокращение от «матричная теория». Но что бы ни означало «М», М-теория в настоящее время рассматривается специалистами как наиболее прогрессивная и перспективная; но в содержательном смысле она удаляется от интуиций обыденной жизни, как никакая другая физическая теория.

Загадки М

Прежде всего, можно утверждать, что М-теория имеет свои пределы применимости, и в этом она не отличается от двух других величайших теорий XX столетия — релятивистской физики (специальной и общей теорий относительности) и квантовой механики. Так же, как и они, эта теория имеет свой «масштаб» применения, который характеризуется определённой постоянной: для квантовой механики — это постоянная Планка h, а для релятивистской механики — постоянная скорости света с. Откуда она берется в М-теории, пока неизвестно, и ее, как говорят физики, приходится «вводить руками» из каких-то более или менее произвольных соображений.

  
Существуют струны двух видов — открытые (подобные нитям или отрезкам) и замкнутые (подобные петлям или окружностям). Иллюстрация: Prof.dr R.H. Dijkgraaf
Еще более удивительно то, что за время развития теории струны совершенно утратили свой изначальный облик. Теперь они представляют собой не одномерные, а многомерные объекты, пространственная размерность которых составляет 10. Так получилось далеко не сразу: сначала струну пришлось обобщить на двумерную поверхность, которую поначалу стали называть мембраной, но затем возникла необходимость в обобщении на трёхмерный случай. Специальное слово тут подобрать не удалось, и его пришлось изобрести — трёх-брана. Соответственно, мембрану стали называть двух-браной, а просто струну — одно-браной. Представления об элементарных частицах как о точках, не имеющих протяженности, нашли в этой картине достойное место — как ноль-браны. Пространственная размерность, равная десяти, оказалась наиболее удобной с теоретической точки зрения, на ней пока и остановились.

Такие многомерные браны с точки зрения теории струн актуально существуют, однако «лишние» измерения «компактифицировались», то есть свернулись, на характерных для теории масштабах. Так, например, поверхность тонкой проволоки представляет собой бесконечный (или очень длинный) цилиндр. Но если смотреть издалека, она кажется ничем не отличимой от геометрической линии. Иногда «радиус» такого замыкания может быть настолько мал, что его не зафиксировать никакими, даже самыми точными, приборами. И тем не менее присутствие дополнительного «свернутого» измерения нет-нет да и проявится. В частности, в свойстве дуальности. В М-теории несколько типов дуальности. Наибольший интерес с мировоззренческой точки зрения представляет Т-дуальность: различные теории струн (в рамках М-теории) будут описывать одни и те же явления для очень малых и очень больших масштабов — например, на расстояниях 1033 и 10–33 см.

Наконец, М-теория описывает объекты, обладающие ещё целым рядом свойств загадочных, непривычных, и в этом есть свои плюсы и минусы. Плюсом этой теории можно считать её способность сформулировать ответ на фундаментальный вопрос, почему мир (то есть совокупность частиц вещества и поля) именно таков, какой он есть, и свести всё его многообразие к единому началу. Но тут же скрыт и минус: чтобы перейти от такого простого основания к качественно более сложной картине мира, требуются особые математические методы и подходы, очень сложный математический формализм. Зачастую эта сложность заводит специалистов в тупик, и глубокая теоретическая проработка конкретных вопросов теории струн не может быть реализована. В этом смысле современная М-теория представляет собой скорее набор концепций, чем детально проработанную теорию.

Между тем, существует множество задач, на которые в рамках теории находятся относительно простые ответы. Например, показать, как путешествия во времени могут не нарушать принцип причинности. Из этого, конечно, еще не следует, что оно возможно, более того, многие физики дружно считают, что влиять на прошлое невозможно. Однако показать это, основываясь исключительно на концептуальных основаниях теории, пока никому не удалось. А это значит, что можно относительно легко (на фоне необычайной математической сложности теории), объяснить их возможность, хотя бы в рамках художественного проекта.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

 

Яков Тарароев, 01.12.2006

 

Новости партнёров