На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда

Не хватало только Кэссиди. Я была благодарна моим родителям, что они взяли ее на время моего пребывания в Лондоне, но теперь, когда я вернулась в Штаты, мне не терпелось получить ее обратно. Но мама держала ее в заложниках. Та самая женщина, которая когда-то сходила с ума при одной только мысли о том, что животное поселится в ее доме, теперь отказывалась возвращать это животное ее законному владельцу. И Кэссиди, которая выросла в Нью-Йорке с его высоким темпом жизни, теперь привыкла к жизни в пригороде, со всеми его «пространством» и «травкой». Более того, эта маленькая изменница обожала моих родителей. Она все еще радостно виляла хвостом при виде меня, но уже смотрела на них, как будто именно они были ее семьей.

Чтобы как-то заполнить образовавшуюся пустоту, я подобрала бездомного котенка.

– Твоя задача – следить за вторжениями грызунов, – сказала я ему, внося его в дом. – Неважно, квантовые они или нет.

Он замурлыкал.

Дела потребовали съездить в Санта-Барбару. Еще перед отъездом из Лондона я получила сигнальный экземпляр книги Леонарда Сасскинда «Космический ландшафт». Леонард Сасскинд, физик из Стэнфорда, был одним из создателей теории струн.

В течение последних нескольких лет я познакомилась с основами теории струн. Ее посыл был прост: всякая частица – электрон, фотон, кварк и все остальные – это различные вибрации одной и той же крошечной струны. Вместо зоопарка разнообразных частиц, говорит теория струн, мир состоит всего из одного животного: струны. Имея около 10—33 сантиметра в длину, струны вибрируют, как струны гитары, производя на свет различные частицы, словно музыкальные ноты, в том числе и ту, которая звучит подобно гравитации.

Когда я впервые услышала об этой теории, вся идея струн показалась надуманной. Непонятно, при чем тут струны? Почему не свистки или спиральки? Но со временем я поняла, что струны были выбраны не случайно. На самом деле, их следы обнаруживалсь в экспериментальных данных.

До того как физики узнали, что адроны, такие как протоны и нейтроны, состоят из кварков, результаты, полученные на ускорителях элементарных частиц в 1960-х годах, были им совершенно непонятны. В то время все более популярным в физике частиц становился подход, связанный с так называемой S-матрицей. Его идея заключалась в том, чтобы, вместо описания взаимодействия двух частиц при их столкновении в данной точке пространства-времени, учитывать только их начальные и конечные состояния. S – это первая буква слова scattering, то есть «рассеяние», которое мыслится следующим образом. Шаг первый: две частицы направляются навстречу друг другу. Шаг второй: они сталкиваются, и энергия, выделяемая при их столкновении, идет на рождение новых частиц, которые распадаются на другие частицы, которые, взаимодействуя, формируют еще больше частиц, которые находятся в окружении полчища виртуальных частиц, которые, в свою очередь, взаимодействуют с другими виртуальными частицами, которые, в свою очередь… и так далее. Шаг третий: всего несколько частиц вылетают наружу из этой каши.

S-матрица – ее ввел Уилер в 1937 году, а через несколько лет заново переоткрыл Гейзенберг – позволяет начисто пропустить второй шаг. Это таблица вероятностей: вы задаете исходные состояния соударяющихся частиц, а S-матрица дает вероятности для конечных состояний частиц, рождающихся в столкновении.

Физики, однако, не могли решить задачу построения S-матрицы, которая учитывала бы результаты адронных столкновений, наблюдаемых в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так было до 1968 года, пока физик Габриель Венециано не решил эту проблему: он открыл уравнение S-матрицы для адронов. Но почему это уравнение работало? Никто не знал. Что именно оно описывало?

После месяцев затворничества на чердаке и размышлений над уравнением Венециано на Сасскинда снизошло прозрение.

Уравнение описывало колебания струны.

Сасскинд – и, независимо от него, Еитиро Намбу и Хольгер Бех Нильсен – предположил, что адроны должны состоять не из точечных, лишенных размера частиц, а из крошечных одномерных струн. Сасскинд тогда сказал, что точки на концах струны можно мыслить как кварки, а саму струну – как множество точечных частиц, называемых глюонами.

Это была классная идея, но в течение нескольких лет успешного развития квантовой хромодинамики она оказалась практически забыта. Почти. Только несколько одиноких физиков, в их числе Джон Шварц и Майкл Грин, не отказались от теории струн и более десятилетия работали фактически в полном вакууме.

К сожалению, никак не складывалась математика. Колебания струн были слишком энергичны, из-за этого приходилось делать их размер слишком маленьким, и они не могли быть адронами; значения спина тоже не согласовывались с наблюдениями. Протоны и нейтроны – частицы материи, фермионы, они обладают полуцелым спином. А спин струн получался целым, как у частиц излучения. Бозонов. Не обращая внимания на то, как на них смотрят, Шварц и Грин продолжали возиться со струнами, выглядевшими безмассовыми частицами со спином 2, определенно не похожими ни на какие адроны. Они были похожи на что-то совершенно другое. На гравитоны.

Шварц и Грин поняли, что теория струн – это не теория адронов. Это была квантовая теория гравитации. Кого волновало, что теория струн не описывает адроны? Это был Святой Грааль!

У теории оставалась единственная проблема – отсутствие фермионов. Струны естественно воспроизводили бозоны, но теория струн смогла бы претендовать на теорию всего, если бы она учитывала также фермионы. Если бы струнные теоретики могли найти способ преобразования бозонов в фермионы – частиц с целым спином в частицы с полуцелым спином, то эта проблема была бы решена. К счастью, такой способ есть – суперсимметрия.

В суперсимметричных пространствах вы можете заменой системы отсчета превратить частицу с целым спином в частицу с полуцелым спином. Это была та зависимость от наблюдателя, которая заставила меня и моего отца вычеркнуть спин из списка на салфетке из лос-анджелесской блинной. Частицу, которую один наблюдатель называет бозоном, другой видит как фермион. Это означает, что вы можете взять бозоны, которые получаются в теории струн с самого начала, и посмотреть на них из других систем отсчета, получая фермионы. Теперь вы получили все силы природы и все вещество из одного простого ингредиента – крошечной вибрирующей струны. Суперсимметрия превратила теорию струн в жизнеспособную теорию всего.

Особенно полезной эту теорию сделало то, что больше не надо было разбираться с опасными бесконечностями, которые возникают, когда частицы сталкиваются в одной точке. Струны одномерны – у них есть протяженность. Они не могут взаимодействовать в единственной точке. В некотором смысле это означает, что в пространственно-временном континууме отдельных точек и нет.

«Пространство-время само по себе может быть переосмыслено как приближенное, производное понятие», – писал физик Эд Виттен в статье, озаглавленной «Размышления о судьбе пространства-времени». Успех теории струн, объяснял Виттен, сводится к тому, что «не существует больше инвариантного представления о том, когда и где происходят взаимодействия».

Однажды прочитав эти строки, я долго не могла успокоиться. Что именно Виттен хотел сказать? Обычно физики объясняют отсутствие бесконечности в теории струн конечными размерами струны и, соответственно, размытием точки взаимодействия. Но Виттен, первосвященник теории струн, казалось, приписал размытие не самим струнам, а наблюдателям. Если наблюдатели не могут прийти к единому мнению о положении точки взаимодействия, как если бы расположение точки взаимодействия в пространстве-времени изменялось от одной системы отсчета к другой, – тогда сингулярности не существует. В окончательной реальности их нет. Не значит ли это, что пространство-время и само не реально? Что оно зависит от наблюдателя?

Частицы, согласно теории, состоят из струн. Но спросите физиков, из чего состоят струны, и они скажут вам, что это некорректный вопрос. Струны фундаментальны. Они – исходные строительные блоки. Они не сделаны из чего-либо кроме самих себя. Вряд ли это можно считать удовлетворительным ответом. Предлагал ли Виттен какой-то другой? Он, кажется, говорил, что струны натянуты между различными точками, которые наблюдатель может определить как места столкновения. Как будто струны сами представляют собой наши возможности наблюдать за ними. Как если бы они представляли собой системы отсчета. Как если бы они были, в некотором смысле, изготовлены из нас.