«Наука и жизнь» № 3, 1997 г., 1-ая стр. цв. вкладки
Цв. вкладка к окончанию (см. часть II) статьи д. ф-м. н. А. Семихатова «Суперструны: на пути к теории всего».
Начало см. «Наука и жизнь» № 2, 1997 г. (см. часть I )
ОТ ЧЕТЫРЁХМЕРИЯ К M-ТЕОРИИ
Современная физическая теория невероятно сложна. Чтобы хоть немного понять даже популярное её изложение, нужно затратить массу умственных усилий, не раз и не два прочитать статью.
Совсем недавно – каких-нибудь несколько десятков лет назад – абсолютно непонятной и дикой казалась квантовая механика. Сегодня она служит рядовым инструментом физических и даже инженерных расчётов.
Но каким бы странным ни казался мир, раскрывшийся в крайне упрощённых аналогиях на цветной вкладке, следует знать, что он – не плод фантазии. За ним стоят множество серьёзных исследований, очень глубокая физика и математика.
Четырёхмерный мир, к которому мы привыкли, – только «тонкая кожа» на теле мира многомерного. Тот, кто мог бы посмотреть вдоль дополнительных измерений, увидел бы их свёрнутыми, причём иногда довольно причудливым образом, в замкнутые пространства. В этих пространствах имеется множество так называемых нестягиваемых циклов – замкнутых подпространств меньшей размерности, которые нельзя сжать в точку из-за «дырки в середине» – например, колец, охватывающих тор. В то же время кольцо, лежащее на сфере или эллипсоиде, может соскочить, поскольку оно «ни за что не зацеплено». На рисунке по понятным причинам все они показаны привязанными к отдельным точкам нашего четырёхмерного пространства-времени. На самом деле с каждой его точкой связано невидимое шестимерное пространство, и при переходе от точки к точке по четырёхмерию различные части этого шестимерного пространства по-разному деформируются.
Как оказалось, именно количество и свойства нестягиваемых циклов в шестимерном пространстве должны определять характеристики элементарных частиц, наблюдаемых нами в четырёхмерии. Поэтому-то так важно изучать геометрию подобных скрученных пространств. Уже одно только условие, что там могут существовать суперструны, выделяет определённый класс геометрий: суперструны не смогут жить в произвольно взятом n-мерном пространстве, и фундаментальные свойства нашего четырёхмерия тоже не могут быть произвольными. В доступной нашему анализу области не слишком больших энергий живущие в десятимерии суперструны каждого из пяти типов сворачивают шесть лишних измерений в замкнутые пространства немного различным образом. Точнее говоря, нам удаётся «увидеть» только определённые части выбранных суперструнами внутренних пространств. Намотанные суперструны создают элементарные возбуждения (частицы), не похожие на те, которые создаются ненамотанными струнами. При этом в далёких «закоулках» скрученного пространства (уже, строго говоря, соответствующих области высоких энергий) можно разыскать циклы, при намотках на которые струна типа I порождает такие же возбуждения, как ненамотанная струна типа II. На самом деле каждая из пяти теорий десятимерных суперструн даёт неполное описание некоторой единой теории, названной недавно M-теорией (от слова mystery – загадка, тайна). Способность суперструн различных типов порождать друг друга, наматываясь на подходящие циклы, объясняется тем, что каждая из теорий суперструн происходит из M-теории. M-теория сама по себе не сводится к теориям суперструн и живёт, по-видимому, в двенадцатимерном «пространстве-времени», в котором, однако, имеется два времени.
Будем двигаться теперь по рисунку снизу вверх, от M-теории к суперструнам. Уничтожение одного из временных направлений позволяет M-теории породить одиннадцатимерную супергравитацию непосредственно в одиннадцатимерном пространстве, а на его десятимерной «коже» создать теории суперструн. Здесь имеются различные возможности: либо одиннадцатое измерение сворачивается в окружность очень малого радиуса R (тогда изображённый на рисунке цилиндр имеет на самом деле десять измерений), либо M-теория выделяет две десятимерные гиперплоскости на расстоянии порядка R друг от друга в одиннадцатимерном пространстве. В зависимости от того, какая возможность выбрана, получающееся пространство населяется (в качестве остатков от M-теории) суперструнами одного из пяти видов (наглядно объяснить различие между ними не представляется возможным). Эти-то суперструны далее предписывают десятимерному пространству, как свернуть лишние шесть измерений.
Суперструны, однако, «помнят» про своё единое происхождение из M-теории: учёт всех намоток струн показывает, что различные пространства эквивалентны с точки зрения эффектов, осевших на четырёхмерной «коже» этого безумного мира. В конечном итоге именно M-теория ответственна за свойства нашего четырёхмерия, а современные средства исследования позволяют наметить путь от неё к привычному нам миру, используя любую из пяти теорий суперструн.
Возможности M-теории не ограничиваются производством десятимерии и вселением туда суперструн. Она могла бы развиться в мир, совершенно непохожий на наш, где вместо структур пространства-времени (пусть даже «свёрнутых») имелся бы «первичный бульон» из мембран и «многобран» различной размерности. Отыскать механизмы, управляющие динамикой M-теории, видимо, удастся уже в XXI веке. Пока же название «M-теория» вполне оправдывает своё происхождение от слова mystery.
