Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно

Звук лопнувшей суперструны

Средний человек в ужасе от высшей математики, но она помогает понять, что вся та реальность, которая выражается в математике формулами, существует и в области понятий. Если вы понимаете концепцию, вы часто движетесь прямо в сердце того, что пытается сказать математика. Математика – действительно сжатый универсальный язык, который позволяет описывать так называемые физические процессы или, как мы увидим позже, наши взаимодействия с природой. Конечно, никакая высшая математика не может оправдать ложную идею. В дебатах между моделями, которые включают Большой взрыв, и теми, которые обходятся без этого понятия, плюсы и минусы взвесить нелегко. Если математика – единственное, на что все еще может опираться космология, почему бы не возложить на математику всю нагрузку? Возможно, единственный безопасный способ описания состояния до создания – описать его как реальность, где нас может вести только чистая математика. Или пойти дальше: возможно, такое состояние образовано числами и ничем более. Предположение звучит странно, но многие теории готовы обратиться к нему.

Ведущим примером является теория струн, которая позже трансформировалась в теорию суперструн, поскольку ее амбиции расширились. Теория струн возникла, чтобы решить загадку того, как элементарные частицы, такие как фотоны, кварки и электроны, могут вести себя как частицы и волны одновременно. Как мы увидим позже, многие физики назвали эту проблему центральной для квантовой механики. Частица похожа на теннисный мяч, пролетающий над сеткой.

Волна похожа на закрученный воздух, который она оставляет на своем пути. Они не похожи друг на друга. Однако если теннисный мяч и закрученный воздух могут быть сведены к одному общему признаку, это может решить проблему.

Теория струн говорит, что такой общий признак – вибрации. Представьте себе скрипку, вибрирующую для создания музыкальных нот. Звучание ноты определяется тем, где скрипач прикладывает палец к струне. Подобным же образом теория струн рассматривает волны как вибрацию невидимой струны, причем частицы являются специфическими «нотами», которые появляются в пространстве-времени. Аналогия с музыкой сильна, поскольку субатомные «гармонии» (вибрации, которые резонируют друг с другом), как полагают, определяют, как относятся друг к другу кварки, бозоны, такие как фотоны и гравитоны, и другие конкретные частицы, и создают сложные структуры, точно так же, как двенадцать нот западной музыкальной гаммы превратились в тысячи симфоний, сонат и тому подобных произведений. Нет конца комбинациям, создаваемым двенадцатью нотами; так и несколько вибрирующих струн могут быть основой для смутного распространения субатомных частиц, обнаруженных в ускорителях высокоскоростных частиц.

Скептики отмечают, что струны, вибрирующие ниже уровня наблюдаемой реальности, могут быть плодами воображения. Но для математиков теория струн имела большую привлекательность, потому что она относится к чистой математике. Передовая модель, известная как теория суперструн, увеличила сложность необходимых уравнений. Сначала было пять моделей суперструн, которые выглядели по-разному, но в середине 1990-х годов им было показано, что они имеют тонкое комплексное сходство. То, что стало вершиной математического моделирования, оказалось М-теорией, где М может означать, по словам чудаковатого создателя теории Эдварда Виттена, и волшебство (magic), и тайну (mystery), и мембрану.

«Волшебство» и «тайна» относятся к тому факту, что М-теория не имеет в основе ни одного эксперимента или наблюдения. Она вытаскивает математического кролика из шляпы, гармонизируя предыдущие теории струнного типа, которые сами по себе не были основаны на экспериментах или наблюдениях. Тот факт, что М-теория так хорошо работает – на бумаге, – кажется магическим и таинственным. Конечная уловка состоит в том, чтобы показать, что Вселенная действительно работает так, как она работает на бумаге, и никто ее не оттолкнет. Третье значение – «мембрана» – технический термин физиков для описания того, как некоторые квантовые объекты распространяются через пространство, например листы или вибрирующие мембраны, а мембраны суть обобщения струн в более высоких измерениях. Здесь мы балансируем на краю очень сложных уравнений, которые можно понять только через высшую математику. Но концептуальную основу дать все же можно.