Компактификация и красота
На теорию струн в физике возлагают столько надежд по той причине, что она дает простые объяснения истоков симметрии, присутствующей и в физике частиц, и в общей теории относительности.
В главе 6 мы видели, что супергравитация неперенормируема и слишком мала, чтобы вместить симметрию Стандартной модели. Таким образом, она не самосогласованна и не дает реалистичного описания известных частиц. И тем и другим свойством обладает теория струн. Как мы вскоре убедимся, она решает проблему бесконечных величин, обнаруженную в квантовой теории гравитации, и дает конечную теорию квантовой гравитации. Уже за одно это теорию струн следует считать серьезной претенденткой на звание теории Вселенной. Но у нее есть и дополнительное преимущество. Если компактифицировать некоторые измерения теории струн, выяснится, что она соотносима с симметрией Стандартной модели и даже теориями Великого объединения.
Гетеротическая струна представляет собой замкнутую струну, для которой характерны два типа вибраций — по часовой и против часовой стрелки, — которые рассматриваются отдельно. Колебания по часовой стрелке существуют в 10-мерном пространстве, колебания против часовой стрелки — в 26-мерном пространстве, в котором 16 измерений компактифицированы. (Как мы помним, в исходной пятимерной теории Калуцы пятое измерение компактифицировали, свернув его в круг.) Своим названием гетеротическая струна обязана тому факту, что колебания по часовой стрелке и против нее существуют в двух разных измерениях, но в сочетании дают единую теорию суперструн. Вот почему ее название происходит от греческого слова гетерозис, означающего «гибридная сила».
Гораздо больший интерес представляет 16-мерное компактифицированное пространство. Как мы помним, в теории Калуцы-Клейна с компактифицированным N -мерным пространством ассоциируются симметрии, почти как в случае с пляжным мячом. Значит, все колебания (или поля), определенные для N -мерного пространства, автоматически наследуют эти симметрии. Если это симметрия SUQV), тогда все вибрации в пространстве должны подчиняться симметрии SU (N) (так же, как глина наследует симметрии литьевой формы). Таким образом, теория Калуцы-Клейна может вмещать симметрии Стандартной модели. Вместе с тем можно установить, что супергравитация «слишком мала», чтобы содержать все частицы симметрий, относящихся к Стандартной модели. Этого достаточно, чтобы развенчать теорию супергравитации как реалистичную теорию материи и пространства-времени.
Но когда «принстонский струнный квартет» проанализировал симметрии 16-мерного пространства, то обнаружил, что они представляют собой чудовищно огромную симметрию, названную Е (8) x Е (8) и значительно превосходящую все предлагавшиеся ранее симметрии теорий Великого объединения[80]. Такого преимущества никто не предвидел. Оно означало, что все колебания струны будут наследовать симметрию 16-мерного пространства, которого более чем достаточно, чтобы вместить симметрию Стандартной модели.
В этом и заключается записанное математически выражение центральной темы данной книги: законы физики в высших измерениях упрощаются. В данном случае 26-мерное пространство вибраций, направленных против часовой стрелки и совершаемых гетеротической струной, дает предостаточно возможностей для объяснения всех симметрий, содержащихся и в теории Эйнштейна, и в квантовой теории. Так впервые геометрия в чистом виде дала простое объяснение причин, по которым субатомный мир неизбежно должен демонстрировать определенные симметрии, возникающие при скручивании пространства высших измерений: симметрии субатомного мира — не что иное, как остатки симметрии пространства высших измерений.
Значит, красоту и симметрию, которые мы обнаруживаем в природе, можно проследить в обратном направлении до пространства высших измерений. Например, снежинки представляют собой красивые шестиугольники, среди которых нет двух совершенно одинаковых. Эти снежинки и кристаллы унаследовали свою структуру от способа геометрического расположения их молекул. Их расположение обусловлено главным образом электронными оболочками молекул, что, в свою очередь, приводит нас к вращательной симметрии квантовой теории, которую дает О (3). Все симметрии низкоэнергетической Вселенной, которые мы видим в химических элементах, — результат симметрий, описанных Стандартной моделью, которая, в свою очередь, может быть выведена путем компактификации гетеротической струны.
В заключение скажем, что примеры симметрии, которые мы видим вокруг — от радуги до цветочных бутонов и кристаллов, — можно в конечном счете рассматривать как проявления фрагментов изначальной десятимерной теории[81]. Риман и Эйнштейн надеялись объяснить геометрическими средствами, почему взаимодействие может определять движение и природу материи. Однако они упустили из виду ключевой ингредиент взаимоотношений между «деревом» и «мрамором». Это недостающее звено — почти наверняка теория суперструн. На примере десятимерной теории струн мы видим, что геометрия струны может в конечном итоге обуславливать и взаимодействия, и структуру материи.