Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

Таким образом, некоторые физики считают, что следует обобщить принцип общей ковариантности Эйнштейна, чтобы он звучал так: уравнения физики должны быть суперковариантны (то есть сохранять свою форму после суперковариантного преобразования).

Теория суперструн позволяет нам заново, в новом свете увидеть старую работу Эйнштейна по единой теории поля. Когда мы начинаем анализировать решения уравнений суперструн, мы сталкиваемся со множеством странных пространств, с которыми Эйнштейн работал еще в 1920-е и 1930-е гг. Как мы видели ранее, он рассматривал обобщенные римановы пространства, которые сегодня можно соотнести с некоторыми пространствами из теории струн. Эйнштейн перебирал эти странные пространства одно за другим с мучительным упорством (включая комплексные пространства, пространства с «кручением», «свернутые пространства», «обратно-симметричные пространства» и т. п.), но так и не смог найти верную дорогу, потому что у него не было путеводного физического принципа или картины, которые могли бы помочь ему выпутаться из математической паутины. Именно здесь на сцену выходит суперсимметрия – она выступает в роли организующего принципа, позволяющего нам рассматривать многие из этих пространств с иной точки зрения.

Но является ли суперсимметрия той самой симметрией, за которой Эйнштейн безуспешно охотился тридцать последних лет жизни? Ключ к единой теории поля Эйнштейна – то, что она должна была состоять из чистого мрамора, то есть строиться на чистой геометрии. Безобразное «дерево», наполнявшее изначально его теорию относительности, должна была поглотить геометрия. Возможно, ключ к теории чистого мрамора – именно суперсимметрия. В этой теории можно ввести нечто под названием «суперпространство», где само пространство становится суперсимметричным. Иными словами, очень может быть, что окончательная единая теория поля будет построена из «супермрамора», то есть из новой «супергеометрии».

В настоящее время физики, как в свое время Эйнштейн, уверены, что в мгновение Большого взрыва все симметрии мира были едины. Четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы видим в природе (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия) в момент рождения Вселенной были едины и составляли некое «супервзаимодействие», а позже, по мере остывания Вселенной, разделились. Эйнштейнов поиск единой теории поля казался невозможным только потому, что сегодня силы мира ужасным образом разделены на четыре части. Эйнштейн считал, что, если бы мы могли вернуться в прошлое на 13,7 млрд лет, к моменту Большого взрыва, мы бы увидели космическое единство Вселенной во всем его величии.

Виттен утверждает, что теория струн займет когда-нибудь главенствующее место в физике точно так же, как квантовая механика главенствует в ней последние полвека. Однако на этом пути существует немало серьезных (очень серьезных) препятствий. Критики этой теории указывают на некоторые ее слабые места. Во-первых, ее невозможно проверить напрямую. Поскольку теория суперструн – это теория рождения Вселенной, единственный способ проверить ее – воссоздать Большой взрыв, то есть получить в ускорителе элементарных частиц энергии, примерно соответствующие энергии начала Вселенной. Для этого понадобился бы ускоритель размером с галактику, а это нереально даже для высокоразвитой цивилизации. Однако большая часть исследований в физике сегодня проводится косвенными методами, поэтому можно смело надеяться, что Большой адронный коллайдер позволит получить энергии, достаточные для тестирования этой теории. Коллайдер может ускорять протоны до триллионов электронвольт – энергии, достаточной, чтобы разбивать атомы. Физики надеются, анализируя осколки подобных фантастических столкновений, обнаружить новый тип частиц – суперчастицы, или «s-частицы», представляющие собой более высокие гармоники, или октавы, суперструн.

Есть даже предположения о том, что скрытая масса, или темная материя, может состоять из суперчастиц. Например, суперсимметричный партнер фотона, получивший название фотино, электрически нейтрален, стабилен и обладает ненулевой массой. Если бы Вселенная была заполнена газом из фотино, мы бы его не видели, но действовал бы он примерно так же, как темная материя. Однажды, если нам удастся все же распознать истинную природу темной материи, мы, возможно, получим косвенное свидетельство в пользу теории суперструн.

Еще один способ косвенным образом проверить эту теорию – проанализировать гравитационные волны Большого взрыва. Детекторам гравитационных волн LISA, возможно, удастся когда-нибудь зарегистрировать гравитационные волны, излученные через одну триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Если полученные при этом данные сойдутся с предсказаниями теории струн, последняя будет раз и навсегда доказана.

Кроме того, M-теория может объяснить некоторые загадки, окружающие старую вселенную Калуцы – Клейна. Припомним, что одним из серьезных возражений против этого варианта вселенной было то, что измерения за пределами трехмерного мира не видны в лаборатории и, мало того, по размеру должны быть намного меньше атома (в противном случае атомы запросто исчезали бы в этих измерениях). Но M-теория дает нам возможное решение этой проблемы, если считать, что сама наша Вселенная представляет собой мембрану, плавающую в бесконечном одиннадцатимерном гиперпространстве. Тогда элементарные частицы и атомы просто заперты на этой мембране (в нашей Вселенной), а вот гравитация, будучи искривлением гиперпространства, свободно проникает куда угодно.

Эту гипотезу, какой бы странной она ни казалась, можно проверить. Физикам со времен Исаака Ньютона известно, что гравитационное притяжение ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. При четырех пространственных измерениях гравитация должна, по идее, ослабевать обратно пропорционально кубу расстояния. Таким образом, измеряя крохотные отклонения от идеальной обратной зависимости от квадрата расстояния, можно засечь присутствие иных вселенных. Не так давно возникла гипотеза о том, что если всего в миллиметре от нашей Вселенной имеется другая, параллельная вселенная, то она может быть совместима с ньютоновой гравитацией – и тогда ее тоже можно будет обнаружить при помощи Большого адронного коллайдера. Это, в свою очередь, вызвало оживленный интерес физиков; стало понятно, что по крайней мере один аспект теории суперструн, возможно, в скором времени удастся проверить путем поиска либо суперчастиц, либо параллельных вселенных в миллиметре от нашей собственной Вселенной.