[Bercut-bird]

Суперструны и квантово-петлевая теория гравитации применительно к ТБЗ

Если не погружаться глубоко в физические дебри, тогда то, чем занимается Шелдон, — не что иное, как попытка построить Всеобщую Теорию Всего, по меткому выражению Эйнштейна. Пожалуй, самая основная проблема современной теоретической физики связана с неуемным желанием светил науки докопаться во всем до самой сути. А так как большинство принципиальных задач в физике уже решены, а такой ерундой, как разработка новых полезных человечеству штуковин, ученым уже давно не интересно заниматься, то выдумать что-нибудь эдакое, желательно настолько, чтобы во всем научном сообществе тебя понимали только пара твоих друзей, — самое милое дело.

Идея «Всеобщей Теории Всего» или, говоря современным языком, «Теории Великого Объединения» состоит в том, чтобы вывести такую суперформулу, следствиями и частными случаями которой были бы все остальные. Самое сложное на этом пути — объединить две непростые вещи: теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику. Изначально считалось, что это принципиально невозможно — уж слишком по-разному смотрели на мир Эйнштейн и Минковский с одной стороны и Шрёдингер с Гейзенбергом и Дираком с другой. Корень их разногласий в том, что первые любили геометрию больше математики, а вторым из всей математики нравились только функциональный анализ и теория групп. Таким образом, в теории относительности главным выступает само пространство и всяческие его искривления, а в квантовой механике все, что существует в мире, описывается функциями, причем такими, которые удовлетворяли представлениям их создателей о красоте, а главное, симметрии пространства. К тому же, все, что существует на свете, будь то материя или взаимодействие, принципиально должно иметь свою мельчайшую частицу — квант, и гравитация в том числе. Но в теории относительности никакие кванты не упоминаются и, более того, просто не нужны.

Сейчас физики договорились, что, по крайней мере, принципиальная возможность такого объединения существует. Сильно в этом им помогла так называемая «стандартная модель», объединившая все известные взаимодействия, кроме тяготения. Видимо, не зря Шелдон назвал гравитацию «бессердечной сукой». Правда, никто пока не создал законченной всеобщей теории, а уж тем более такой, которую можно было бы проверить в эксперименте. Пока даже самая любимая и мощная игрушка героев — Большой Адронный Колайдер — оказывается в этом случае немногим более полезной, чем попытка изучать каналы на Марсе с помощью китайского бинокля из «Детского Мира».

Что же касается самих идей подобного объединения, то тут существуют два основных варианта: суперструнная (да вдобавок еще и суперсимметричная) теория (так любимая Шелдоном) и теория квантово-петлевой гравитации (к которой даже сами ее создатели относятся с подозрением).

Основная идея суперструнной теории состоит в том, что наш мир не такой, как кажется. Впрочем, если говорить честно, это можно сказать о любой физической теории менее чем столетней давности. В частности, элементарные частицы, которые мы со школы привыкли даже в силу самого названия считать истинными неделимыми кирпичиками мироздания, оказываются всего лишь колебаниями неких загадочных струн, которые и являются истинно фундаментальными объектами. В результате протоны, нейтроны, электроны и прочая физическая экзотика оказываются всего лишь звуками, которые издает огромный вселенский клавесин. Главная прелесть (помимо общей красоты идеи) состоит в том, что из этой гипотезы с легкостью получаются и стандартная модель, и квантовая гравитация. Тем не менее, ее формулы оказываются настолько сложными, что даже общий их вид до сих пор не получен, и теоретикам остается довольствоваться лишь частными их случаями, обычному же человеку в нее вообще лучше не соваться, во избежание полного исчерпания возможностей головного мозга (наверняка именно этим она и мила Шелдону). К тому же, теория еще очень далека от завершенности и имеет ряд принципиальных сложностей, которые вполне могут поставить на ней крест. Есть две основных проблемы, причем одна оказывается следствием другой.

Первую из них Шелдон и Леонард обсуждали еще в пилотной серии.

Леонард: Мне по крайней мере не надо было изобретать 26 измерений, чтобы включить математику.

Шелдон: Я их не изобрел, они существуют!

Леонард: В каком пространстве?

Шелдон: Во всех! Вот в этом-то и суть, кстати.

С Леонардом трудно не согласиться. Дело в том, что сама струна, как объект, должна иметь некоторую протяженность, но наше трехмерное пространство уже слишком заполнено обычной материей, и для еще одной сущности в нем просто нет места. Поэтому теория струн с необходимостью приходит к выводу, что наша Вселенная не менее, чем четырехмерна, а, как оказывается, нормальную или, выражаясь научным языком, самосогласованную теорию струн невозможно построить менее чем в десятимерном пространстве.

Из этого вытекает одно неприятное следствие и одна проблема. Следствие состоит в том, что если пространство многомерно, никто не обязывал и саму струну иметь лишь одно измерение. В таком случае струна становится больше похожей на поверхность барабана, по крайней мере для тех, кто может представить себе семимерный барабан. С этим еще можно смириться, по крайней мере, физики просто переименовали струну в N-брану и на этом успокоились. А вот настоящую проблему перед учеными может поставить любой, кто внимательно прочитал предыдущий абзац. Сформулировать ее можно примерно следующим образом: «А куда, черт бы их побрал, деваются ваши дополнительные измерения, и почему в повседневной жизни о них ни слуху, ни духу?»

Хитрые ученые и на этот вопрос нашли ответ. В этом случае они даже не стали изобретать велосипед, а просто подняли на свет старые идеи шведа Клейна о том, куда деть пятое пространственное измерение, получавшееся в теории его коллеги немца Калуцы. Ответ звучит достаточно просто, но чтобы осознать его, обычно требуется некоторое время. Клейн сказал, что дополнительные измерения просто замкнуты сами на себя, причем на очень коротких расстояниях. Для понимания сказанного чаще всего прибегают к аналогии с садовым шлангом. На больших расстояниях кажется, что шланг имеет только одно измерение — длину. При ближайшем рассмотрении оказывается, что у него есть еще и толщина, но она скрадывается тем, что шланг замкнут сам на себя на достаточно малом по сравнению с его длиной расстоянии. Со струнами происходит то же самое, только не в одном, а в нескольких измерениях. Получающиеся при этом картинки сами по себе очень красивы, а аналогом садового шланга являются так называемые пространства Калаби-Яу, причем каждой точке нашего привычного пространства соответствует нечто, изображенное на картинке (рис. 1). Но именно здесь нас и подстерегает самая основная «засада» современной струнной теории.


Рис. 1

Дело в том, что создать трехмерное пространство из десятимерного можно огромным количеством способов. Сейчас это количество оценивается числом с сотней, а может быть, и пятьюстами нулей. Вполне возможно, что количество таких способов бесконечно, а тогда свести весь наш мир к компактному струнному многообразию даже не получится, и теория становится вещью в себе — принципиально объясняя, как устроен наш мир, она не может ничего предсказать и даже быть экспериментально подтверждена. При этом в философии физики давно выработаны правила, какую теорию можно считать научной, и одно из них (так называемый критерий фальсифицируемости или критерий Поппера) гласит, что теория, принципиально не проверяемая практикой, не может считаться физической. Из-за вопроса, насколько этот критерий применим в случае струнной теории, перессорилось уже не одно поколение теоретиков. Одни считают, что критерий устарел, и теория сама по себе настолько хороша, что не может быть неправильной, другие — что Поппер ничего не говорил о том, что это убогое человечество не может поставить по-настоящему интересный эксперимент, например, взорвать сверхновую звезду поблизости от Солнечной системы, а третьи говорят, что сама идея струн — полная ерунда, и квантовать нужно не частицы, делая из них струны, а само пространство-время.

Собственно, эти третьи и создали новый модный тренд в физике частиц под названием петлевая квантовая гравитация. Сама мысль о том, что пространство не однородно, а, также, как и материя, состоит из собственных атомов, звучит достаточно интересно. Настолько, что вполне может оказаться правдой. В свое время так же лихо звучали и постулаты Эйнштейна, и принципы Бора. Самое интересное, что как и в идее со шлангом из теории струн, пространство кажется однородным на больших расстояниях, поэтому все предыдущие теории, такие как стандартная модель, получаются и из новой теории, но при этом она оказывается даже более квантовой, чем теория струн, ведь в данном случае квантуется само пространство!

Что же касается теории относительности, то искривления пространства трактуются в этом случае как разрывы или новые соединения этих атомов пространства. Как в случае с молекулами, разные соединения одних и тех же атомов способны дать и сажу, и алмаз, в случае петлевой квантовой гравитации различные связи атомов дают и наш относительно плоский мир, и изуродованное, почти вывернутое наизнанку пространство черной дыры. Кстати, именно вычисления одного из параметров черных дыр дали косвенное подтверждение идеи квантованного пространства.

Конечно, обе вышеописанные теории являются пока всего лишь гипотезами, даже косвенное подтверждение которых затруднено масштабом их отличий от существующих. Так, струны в одном случае и кванты пространства в другом имеют масштаб порядка 0,0000000000000000000000000000000016 см, в то же время типичная энергия, необходимая для их наблюдения, составляет 543,3 кВтч, что в 1000000000000000 раз превышает энергию, достижимую на самом мощном ускорителе. Поэтому выбор одной из теорий в настоящее время определяется скорее личным отношением к их создателям или собственным вкусом.

Шелдону больше нравятся суперструны, а Ли Смолину, популярные статьи которого всем интересующимся навязчиво рекомендуется прочитать, — дискретное, разбитое на мельчайшие составные части пространство.