Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

1/2 і 3/2, з частинками — носіями сили, спіни яких рівні 0, 1 і 2. Віртуальні пари частинка-античастинка зі спіном 1/2 і 3/2 матимуть при цьому від’ємну енергію, і так звичайно компенсують додатну енергію віртуальних пар зі спіном 2, 1, 0. Це може скомпенсувати багато можливих нескінченностей, але була підозра, що деякі з них, можливо, все ще залишаються. Однак такі розрахунки, необхідні, щоб з’ясувати, чи насправді які-небудь нескінченності залишилися нескороченими, були такі довгі та складні, що ніхто не був готовий взятися за них. За попередніми оцінками, навіть за допомогою комп’ютера це зайняло б щонайменше чотири роки, і при цьому дуже велика ймовірність хоч раз помилитися, а то й більше. Так можна було б з’ясувати правильну відповідь, лише якщо хтось інший повторив би всі розрахунки й отримав той же результат, а це не видається вельми ймовірним!

Попри всі ці проблеми й те, що частинки в теоріях супергравітації, видавалося, не відповідають спостережуваним частинкам, більшість науковців уважала, що супергравітація, можливо, правильна відповідь на проблему об’єднання фізики. Здавалося, це найкращий спосіб об’єднання гравітації з іншими силами. Та 1984 року відбулася помітна зміна думки на користь так званих теорій струн. Основні об’єкти цих теорій не частинки, що займають єдину точку в просторі, а елементи, які мають довжину, але без інших вимірів, на зразок нескінченно тонких шматочків струни. Ці струни можуть мати кінці (так звані відкриті струни), або вони можуть бути з’єднані між собою в замкнені петлі (замкнені струни) (рис. 11.1 і 11.2). Частинка у кожен момент часу займає одну точку в просторі. Отже, її історія може бути подана лінією у просторі-часі («світовою лінією»). Струна, з іншого боку, в кожен момент часу займає в просторі лінію. Отже, її історія у просторі-часі — двовимірна поверхня, яка називається світовим листом. (Будь-яку точку на такому світовому листі можна задати двома величинами, одна з яких — час, а інша — положення точки на струні). Світовий лист відкритої струни являє собою смугу, краї якої позначають траєкторію у просторі-часі кінців струни (рис. 11.1). Світовий лист замкненої струни являє собою циліндр або трубку (рис. 11.2), який-небудь зріз трубки — коло, що подає положення струни в кожний конкретний момент часу.

Рис. 11.1. та 11.2.

Дві частини струни можуть з’єднатися в одну струну; у разі відкритих струн вони просто з’єднаються кінцями (рис. 11.3), тоді як у разі замкнених струн це схоже на з’єднання двох штанин (рис. 11.4). Аналогічно, частина струни може поділитися на дві струни. Те, що раніше розглядали як частинки, в теоріях струн тепер зображають як хвилі, що біжать по струні, подібно до хвиль на коливній мотузці повітряного змія. Випромінення чи поглинання однієї частинки іншою відповідає розділенню чи об’єднанню струн. Наприклад, гравітаційну силу, з якою Сонце діє на Землю, у теоріях частинок зображували як результат випускання гравітона частинкою на Сонці і його поглинання частинкою на Землі (рис. 11.5). У теорії струн цей процес відповідає Н-подібній трубці (рис. 11.6). (Теорія струн в якомусь сенсі подібна до водогону). Дві вертикальні частини «Н» відповідають частинкам на Сонці та на Землі, а горизонтальна поперечина відповідає гравітону, що рухається між ними.

Рис. 11.3.

Рис. 11.4.

Рис. 11.5. та 11.6.

Теорія струн має цікаву історію. Вона виникла наприкінці шістдесятих років при спробі побудувати теорію сильної сили. Ідея полягала в тому, що частинки як протон і нейтрон можна розглядати як хвилі на струні. Тоді сильні сили між частинками відповідатимуть частинам струн, що з’єднують між собою, як у павутині, інші шматки струн. У рамках цієї теорії, щоб давати спостережувані значення сильної сили між частинками, струни мали бути як гумові стрічки, натягнуті з силою близько десяти тон.

1974 року парижанин Джоель Шерк і Джон Шварц із Каліфорнійського технологічного інституту опублікували роботу, в якій показали, що теорія струн може описувати гравітаційну силу, але тільки при значно більшому натягові струни — близько тисячі мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з тридцятьма дев’ятьма нулями) тон. На звичайних масштабах передбачення теорії струн і загальної теорії відносності такі самі, але вони різні на дуже малих відстанях, менших від однієї тисячамільйонмільйонмільйонмільйонмільйонної частки сантиметра (один сантиметр, поділений на одиницю з тридцятьма трьома нулями). Однак їхня робота не привернула особливої уваги, бо десь в той час більшість відмовилася від початкової струнної теорії для сильної сили, віддавши перевагу теорії кварків і глюонів, результати якої, видавалося, значно краще узгоджувалися з експериментом. Шерк помер при трагічних обставинах (у нього був діябет, і він впав у кому, коли поруч не виявилося нікого, хто б зробив йому ін’єкцію інсуліну). Так Шварц залишився сам, як чи не єдиний прихильник теорії струн, але тепер зі значно вищою запропонованою величиною натягу струни.

1984 року інтерес до струн несподівано відродився, певно, через дві причини. По-перше, ніхто не досяг великого поступу, намагаючись показати, що супергравітація скінченна або що з її допомогою можна пояснити існування тих видів частинок, які ми спостерігаємо. Другою причиною була публікація статті Джона Шварца і Майка Грина з Лондонського коледжу Куїн Мері, в якій показано, що за допомогою теорії струн можна пояснити існування частинок з внутрішньою лівообертовістю, як у деяких спостережуваних частинок. Та хоч би які були причини, незабаром велика кількість науковців почала працювати над теорією струн, і була розроблена нова версія — теорія так званої гетеротичної струни, яка, здавалося, наче могла пояснити ті види частинок, що ми спостерігаємо.

У теоріях струн теж виникають нескінченності, але є підстави вважати, що всі вони будуть взаємно компенсуватися у версіях подібних до гетеротичної струни (хоча достеменно це ще невідомо). Струнні теорії, однак, мають велику проблему: вони, видається, несуперечливі, тільки якщо простір-час має десять чи двадцять шість вимірів, замість звичайних чотирьох! Звісно, додаткові виміри простору-часу — це загальник у науковій фантастиці; вони забезпечують ідеальний спосіб подолання звичних обмежень загальної теорії відносності — те, що неможливо рухатися швидше за світло або назад у часі (див. розділ 10). Ідея полягає в тому, щоб зрізати шлях через додаткові виміри. Це можна подати так. Уявіть собі, що простір, в якому ми живемо, має тільки два виміри і викривлений, як кільцева поверхня, або тор (рис. 11.7). Якби ви були на одному боці внутрішнього краю тора і