даментальные силы природы толкают и притягивают эти частицы правильным образом. Однако на заре теории струн так никогда не получалось. В конце концов, с уравнениями всегда было слишком сложно обращаться. Физики строили разные приближения, видели намеки на Вселенную, подобную нашей, но этого было недостаточно. Единственная игра в городе оказалась не такой уж и веселой. Теория струн зашла в тупик.
Требовалась еще одна революция.
Вторая струнная революция началась в день числа пи, 14 марта[169] 1995 года. Эд Виттен делал первый утренний доклад на конференции по теории струн в Южной Калифорнии. Когда он обратился к аудитории, его голос был спокоен, чуть выше среднего тона, но слова несли в себе интеллектуальную глубину. Он был готов штурмовать Бастилию. Виттен показал, что пять различных версий теории струн описывают одну и ту же физику на пяти разных языках. Он продемонстрировал, что, когда уравнения становились слишком сложными на одном языке, они часто оказывались проще в другом. Благодаря этой глубокой идее теория струн освободилась из тюрьмы вычислений.
Но Виттен, как всегда, пошел дальше.
Он предложил новую теорию — материнскую, и пять различных теорий струн, о которых мы сказали, были ее «дочерями». Он утверждал, что эту материнскую теорию лучше всего понимать в одиннадцати измерениях пространства и времени, где фундаментальными объектами становятся уже не струны, а мембраны, имеющие несколько измерений. Это М-теория — таинственная одиннадцатимерная теория, объединяющая пять различных версий теории струн. Виттен всегда подразумевал, что М означает мембрану[170]. Другие могут сказать, что буква означает мать (mother), волшебство (magic) или даже тайну (mystery). Истина в том, что мы до сих пор не знаем, что такое М-теория. Во всяком случае, пока.
В комнате есть многомерный слон[171].
Суперструны имеют смысл только в десяти измерениях пространства и времени. М-теорию лучше всего понимать в одиннадцати измерениях. Погодите. О чем мы говорим? Забудьте о квантовой гравитации, оглядитесь вокруг. Измерений не десять и не одиннадцать, а четыре: три пространственных и одно временное. Если предполагается, что существует еще шесть или семь измерений, то где они?
Прячутся за спинкой дивана. Сидят на кончике вашего носа. Вы можете найти их даже в сэндвиче с огурцами, приготовленном по рецепту королевы. Они повсюду — отсюда и до туманности Андромеды или галактики Черный Глаз. Но они крошечные, свернутые и незаметные — молчаливый вечный партнер, живущий рядом с нашим макроскопическим миром.
Измерение — просто еще одно направление движения. Когда мы говорим, что пространство имеет три измерения, мы имеем в виду три независимых направления движения: вперед и назад, влево и вправо, вверх и вниз. Шесть дополнительных измерений теории струн — это всего лишь шесть новых направлений движения. Но они свернуты, как крошечные окружности, и вы не сможете продвинуться далеко в этих новых направлениях — вы просто вернетесь туда, откуда начали. Вот почему вы их не замечаете. Чтобы лучше понять это, представим, что вы — муравей. Чудовищный муравей-пуля, великан из низинных лесов Южной Америки. Пробегая по земле, вы замечаете тонкий прутик, лежащий в грязи. Будучи хорошим экспериментатором, вы решаете проползти по поверхности прутика, чтобы выяснить, сколько у него измерений. Вы, конечно, заметите, что можете двигаться по нему вперед и назад, но не увидите, что способны двигаться и вокруг его оси. Поэтому вы триумфально заявляете: «Поверхность прутика имеет одно измерение!» Но вы ошибаетесь. Вы просто слишком велики, слишком чудовищны, чтобы заметить направление движения по окружности. Черный садовый муравей из Англии преуспел бы больше. Будучи гораздо мельче[172], он заметил бы оба измерения прутика — и по длине, и вокруг его оси. Теория струн утверждает, что шесть дополнительных пространственных измерений свернуты точно так же, как измерение прутика по кругу. Как и муравьи-пули, мы просто слишком велики, чтобы их увидеть. Мы не видим их даже на Большом адронном коллайдере, хотя заглядываем в мир, который в миллиард раз меньше атома. Если дополнительные измерения и существуют, их просто затмевает все, что мы видим в природе.
Но при этом скрытые дополнительные измерения наделяют теорию струн огромным потенциалом. Оказывается, существуют гуголы способов их свернуть. Дополнительные измерения могут иметь форму бубликов или более экзотических геометрических объектов, известных как поверхности Калаби — Яу, кручения и изгибы которых почти невозможно вообразить. Вы можете заполнить эти измерения магнитным потоком или связать их струнами и мембранами. То, как вы выполняете это свертывание, влияет на физику оставшихся макроскопических измерений. Наверните шесть измерений на бублик определенного размера — и вы обнаружите четырехмерный мир, наполненный определенными частицами, на которые действует совершенно определенный набор сил. Наверните дополнительные измерения на что-то более экзотическое — и мир станет выглядеть совсем иначе. Специалисты по теории струн любят работать с этими причудливыми поверхностями Калаби — Яу, потому что они не разрушают базовой суперсимметрии: немного оставляют для нашего четырехмерного мира. Мы уже видели, как суперсимметрия может быть полезной для понимания того, почему бозон Хиггса имеет неожиданно малую массу, или для объединения некоторых фундаментальных взаимодействий. Но когда мы сворачиваем дополнительные измерения в теории струн, они играют еще одну важную роль: помогают держать математику под контролем. Без них настройка ненадежна, и предсказаниям теории не всегда можно доверять. Современная точка зрения состоит в том, что теория струн представляет нам мультивселенную — целый ландшафт различных возможных Вселенных, выстроенных вдоль разных поверхностей Калаби — Яу, где есть разные частицы, силы, энергии вакуума и даже разное количество измерений. Кажется, что наша конкретная Вселенная — лишь одна из многих возможностей.
Но как насчет болезней бесконечности, которые мотивировали наше нелегкое восхождение?
В теории струн бесконечность побеждена. Предполагается, что это конечная теория, невосприимчивая к проклятию бесконечности, пагубно действовавшему на физику элементарных частиц с 1930-х. Хотя нет убедительных доказательств этого утверждения, есть веские основания полагать, что это правда. В физике элементарных частиц бесконечности возникают из-за того, что частицы могут целоваться — касаться друг друга. Такие поцелуи позволяют парам частиц появляться и исчезать за бесконечно малые времена и на бесконечно малых расстояниях. Это похоже на безумную форму взрывной карамели, запускающую физику в царство бесконечных энергий и бесконечного импульса. Со струнами ничего такого происходить не может, поскольку они не умеют целоваться. Струны простираются в пространстве — чуть-чуть, но достаточно, чтобы уже не целоваться в одной точке пространства и времени, как это делают частицы. Когда струны сходятся, все сглаживается. Взрывная карамель уже не такая бешеная, и бесконечности побеждены.
Сейчас вы должны чувствовать себя хорошо. Теория струн — это вакцина, покончившая с бесконечной чумой. Расскажите это своим друзьям, своей семье, тому типу в пабе, который трепался о петлевой квантовой гравитации. К теории струн неизбежно вела непрерывная цепочка идей, которая началась в конце XX века с двух столпов: теории относительности и квантовой механики. Она привела нас к правильным неправильным ответам. Венециано и его современники не интересовались крошечными резиновыми ленточками. Их интересовали амплитуды, математические формулы, которые соблюдали правила игры и не противоречили столпам физики. Они не искали струны, но обнаружили их, изгибаясь в правильном неправильном ответе. Они также обнаружили квантовую гравитацию.
Именно эта тесная связь с теорией относительности и квантовой механикой одновременно делает теорию струн уязвимой. Но это хорошо. Люди часто критикуют теорию струн за то, что она выходит за рамки эксперимента, что в принципе невозможно доказать ее несостоятельность. Однако это неверно. Сейчас в экспериментах проверяются принципы, лежащие в основе теории относительности и квантовой механики. Если эти столпы рухнут, рухнет и теория струн.
Если бесконечность побеждена, что может рассказать нам теория струн об истинной судьбе астронавта, разорванного на части гравитационными приливами во время рокового путешествия к сингулярности черной дыры? Истина в том, что мы до сих пор не знаем. Вычисления пока слишком сложны, чтобы выяснить это, — по крайней мере, для тех черных дыр, которые вы ожидаете увидеть в природе. Чтобы идти дальше, нам, вероятно, нужна еще одна революция: понимание М-теории — то, что позволит играть со струнами в самых жестких условиях. Эта революция обещает стать самым глубоким открытием в истории человечества, и не без оснований. Сингулярность внутри черной дыры, обращающая в ничто континуум пространства и времени, не так уж отличается от сингулярности бесконечного Большого взрыва. Если следующая революция даст нам понимание того, что на самом деле происходит глубоко внутри черной дыры, она может также помочь разобраться, как возникла Вселенная. Это могло бы рассказать нам о самом нашем происхождении — об уникальности[173] нашего собственного творения.
И вот теперь, когда мы размышляем о начале времен, наша история подходит к концу. Мы ездили на фантастических числах — больших, малых и уходящих до бесконечности в небеса — и путешествовали по ткани физического мира. Мы любовались частицами и струнами, танцующими в микроскопическом бальном зале, боролись с левиафанами; нас унижали крохотные числа, мы видели себя голограммами на краю космоса и путешествовали в самые далекие уголки этого неожиданного мира.