Часть I. РќРђ РџР•РЕДНЕМ РљРРђР® ПОЗНАНИЯ

Brian Greene

THE ELEGANT UNIVERSE

Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory

Vintage Books

A Division of Random House, Inc.

New York

Брайан Р“РИН

ЭЛЕГАНТНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории

 

Перевод с английского

под общим руководством

академика РРђРќ

С.С.Герштейна

Научный редактор

канд. физ.-мат. наук

В.О.Малышенко

РњРѕСЃРєРІР° 2РћРћ4ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ

ББК 22.3о, 22.382

Настоящее издание осуществлено РїСЂРё финансовой поддержке РРѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕРіРѕ фонда фундаментальных

Висследований (проект в„– 01-02-30054)

Грин Брайан

Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории:

Пер. СЃ англ. / РћР±С‰. ред. Р’. Рћ. Малышенко. — Рњ.: Едиториал РЈРРЎРЎ, 2004. — 288 СЃ.

ISBN 5-354-00161-7

Книга Брайана Грина «Элегантная Вселенная» — увлекательнейшее путешествие по современной физике, которая как никогда ранее близка к пониманию того, как устроена Вселенная. Квантовый мир и теория относительности Эйнштейна, гипотеза Калуцы—Клейна и дополнительные измерения, теория суперструн и браны, Большой взрыв и мульти--вселенные — вот далеко не полный перечень обсуждаемых вопросов.

Используя ясные аналогии, автор переводит сложные идеи современной физики и математики на образы, понятные всем и каждому. Брайан Грин срывает завесу таинства с теории струн, чтобы представить миру 11-мерную Вселенную, в которой ткань пространства рвется и восстанавливается, а вся материя порождена вибрациями микроскопических струн.

Книга вызовет несомненный интерес как у специалистов естественно-научных дисциплин, так и у широкого круга читателей.

Редакторы: Александр Берков, Виктория Малышенко

Издательство благодарит Анастасию Волович и Кирилла Сарайкина за ценные замечания, сделанные по прочтении перевода.

 

Издательство «Едиториал РЈРРЎРЎВ». 117312, Рі. РњРѕСЃРєРІР°, РїСЂ-С‚ 60-летия Октября, 9. Лицензия ИД в„–05175 РѕС‚ 25.06.2001 Рі. Подписано Рє печати 24.12.2003 Рі. Формат 70x100/16. Тираж 3000 СЌРєР·. Печ. Р». 18. Зак. в„– Р­-23

Отпечатано в типографии ГУП ПИК «Идел-Пресс». 420066, г. Казань, ул. Декабристов, 2.

ISBN 5-354-00161-7	В© 1999 by Brian R.Greene. All rights reserved
	В© Перевод РЅР° СЂСѓСЃСЃРєРёР№ язык: Едиториал РЈРРЎРЎ, 2004
	В© Оригинал-макет, оформление: Едиториал РЈРРЎРЎ, 2004

Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, если на то нет письменного разрешения владельцев.

С любовью и благодарностью

моей матери

и в память о моем отце

Предисловие

Последние тридцать лет своей жизни Альберт Эйнштейн провел в неустанном поиске так называемой единой теории поля — теории, которая смогла бы объединить все взаимодействия, существующие в природе, в единую, всеобъемлющую и непротиворечивую систему. Мотив, лежащий в основе его поиска, не был связан напрямую с тем, что мы обычно подразумеваем под научной деятельностью, например, с попыткой объяснить те или иные конкретные экспериментальные данные. Им двигала страстная вера в то, что достигнув глубочайшего понимания мироздания, мы сможем проникнуть в его самую сокровенную тайну — простоту и мощь принципов, лежащих в его основе. Эйнштейн хотел раскрыть устройство Вселенной с доселе неведомой ясностью, заставив нас застыть в благоговейном изумлении перед ее совершенной красотой и элегантностью.

Эйнштейн не смог осуществить свою мечту. Во многом из-за того, что путь закрывали объективные обстоятельства: в его время некоторые важные свойства материи и взаимодействий либо оставались неизвестными, либо, в лучшем случае, были не до конца осознаны. Однако в течение последнего полувека физики все новых и новых поколений, добиваясь успехов и терпя неудачи, временами попадая в тупики, продолжали, основываясь на открытиях своих предшественников, добиваться все более полного понимания принципов устройства мироздания. И вот теперь, спустя много лет после того, как Эйнштейн объявил о своем походе на поиски единой теории, из которого он вернулся с пустыми руками, физики считают, что они смогли наконец выработать теорию, связывающую все эти догадки в единое целое, — единую теорию, которая в принципе способна объяснить все явления. Эта теория, теория суперструн, и является предметом данной книги.

Я написал Элегантную Вселенную в попытке описать замечательные открытия, родившиеся на переднем крае физических исследований, и сделать их доступными широкому кругу читателей, особенно тем из них, кто не имеет достаточной подготовки в физике и математике. Читая в течение последних нескольких лет публичные лекции по теории суперструн, я стал свидетелем растущего стремления понять, что говорят современные исследования о фундаментальных законах мироздания, почему эти законы ведут к радикальному изменению наших представлений о Вселенной, какие проблемы остались нерешенными в нашем непрерывном поиске окончательной теории. Я надеюсь, что мои рассказы об основных достижениях, которых добились физики со времен Эйнштейна и Гейзенберга, и описание бурного прогресса, свидетелями которого мы стали на рубеже столетий, обогатят ваши знания и удовлетворят ваше любопытство.

Я также рассчитываю, что Элегантная Вселенная будет интересна читателям, имеющим определенную научную подготовку. Я надеюсь, что эта книга поможет студентам, изучающим естественные науки, и их преподавателям в понимании некоторых основополагающих положений современной физики, таких как специальная и общая теория относительности и квантовая механика, и, в то же время, сможет заразить их энтузиазмом исследователей, ведущих поиск долгожданной единой теории. Любителям научно--популярной литературы я попытался объяснить многие из удивительных достижений в понимании основ мироздания, которого ученые добились в последнем десятилетии. Что касается моих коллег, работающих в других научных дисциплинах, я надеюсь, что эта книга даст им правдивое и взвешенное объяснение того, почему специалисты по теории струн испытывают такой энтузиазм в отно-

ПредисловиеВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 9

шении прогресса в поиске окончательной теории мироздания.

Теория суперструн забрасывает широкий невод в океан мироздания. Это обширная и глубокая теория, охватывающая многие важнейшие положения, играющие центральную роль в современной физике. Она объединяет законы макромира и микромира, действие которых распространяется в самые дальние дали космического пространства и на мельчайшие частицы материи; поэтому рассказать об этой теории можно по-разному. Я выбрал подход, позволяющий проследить эволюцию наших представлений о пространстве и времени. Мне кажется, что такой подход, показывающий, как возникали и развивались новые, удивительные представления, является особенно увлекательным. Эйнштейн показал миру, что пространство и время могут вести себя совершенно необычным образом. В наши дни исследования, ведущиеся на переднем крае науки, позволили применить открытия Эйнштейна к идее квантовой вселенной, имеющей многочисленные скрытые измерения. Эти измерения свернуты в крохотные петли, спрятанные в ткани мироздания, а их причудливая геометрия может содержать ответ на некоторые из самых глубоких вопросов, когда-либо ставившихся учеными. Хотя некоторые из новых понятий являются трудно уловимыми, мы увидим, что их суть можно понять с помощью вполне осязаемых аналогий. А будучи понятыми, эти идеи дадут совершенно иной, поразительный взгляд на нашу Вселенную.

На всем протяжении книги я старался оставаться как можно ближе к науке, пытаясь в то же время дать читателю — часто через аналогию и метафору — интуитивное понимание того, как ученые выработали современные представления о Вселенной. Хотя я старался избегать специальной терминологии и уравнений, радикально новый характер излагаемых понятий может побудить читателя иногда сделать паузу и обдумать ту или иную главу либо объяснение, чтобы дальнейший материал был ему понятен. Некоторые главы IV части (посвященные самым последним достижениям) являются несколько более абстрактными, чем остальная часть

книги. Я позаботился о том, чтобы вовремя предупредить читателя об этом, и организовал текст так, чтобы такие главы могли быть прочитаны поверхностно или пропущены с минимальным ущербом для понимания материала, содержащегося в книге. Я включил в книгу словарь научных терминов, который позволит читателю быстро вспомнить идеи и понятия, введенные в основном тексте. Тот, кому эта книга попала в руки случайно, возможно захочет пропустить примечания, приведенные в конце; усердный читатель найдет в примечаниях более подробное описание вопросов, углубленное разъяснение идей, которые были упрощены в тексте книги, а также некоторые технические выкладки для тех, кто имеет достаточную математическую подготовку.

РЇ хотел Р±С‹ выразить благодарность всем, кто оказал РјРЅРµ помощь РІ работе над РєРЅРёРіРѕР№. Дэвид Стейнхардт СЃ величайшим вниманием прочел СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ Рё щедро одарил меня глубокими замечаниям Рё неоценимой поддержкой. Дэвид РњРѕСЂСЂРёСЃРѕРЅ, Кен Вайнберг, Рафаэль Каспер, Николас Болес, Стивен Карлип, Артур Гринспун, Дэвид Мермин, Майкл РџРѕРїРѕРІРёС‡ Рё Шани Оффен внимательно ознакомились СЃ СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊСЋ Рё сделали массу подробных замечаний Рё предложений, которые позволили существенно улучшить РєРЅРёРіСѓ. РљСЂРѕРјРµ того, РІСЃСЏ СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ или отдельные ее главы были прочитаны Полом Аспинуоллом, Персисом Дреллом, Майклом Даффом, Куртом Готтфридом, Джошуа Грини, Тедди Джефферсоном, Марком Камионковским, РЇРєРѕРІРѕРј Кантером, Андрашем Ковачем, Дэвидом Ли, Меган Мак-Эвен, Нари Мистри, Хасаном Падамси, Роненом Плессером, Массимо Поратти, Фредом Шерри, Ларсом Стретером, Стивеном Строгачем, Р­РЅРґСЂСЋ Строминджером, Генри РўРё, РљСѓРјСЂСѓРЅРѕРј Вафой Рё Габриэле Венециано, которые дали РјРЅРµ РјРЅРѕРіРѕ полезных советов Рё поощрили меня Рє дальнейшей работе над РєРЅРёРіРѕР№. РЇ хотел Р±С‹ выразить РѕСЃРѕР±СѓСЋ благодарность Рафаэлю Ганнеру, РїРѕРјРёРјРѕ всего прочего, Р·Р° его проницательную критику РЅР° ранних стадиях работы, которая помогла РјРЅРµ найти общую форму РєРЅРёРіРё, Р° также Роберту Мэли Р·Р° его ненавязчивое, РЅРѕ настойчивое побуждение перейти РѕС‚ слов Рє делу Рё начать писать РєРЅРёРіСѓ. Стивен Вайн-

10ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ Предисловие

берг Рё РЎРёРґРЅРё Коулмен дали РјРЅРµ СЂСЏРґ ценных советов Рё оказали немалую помощь РІ работе над РєРЅРёРіРѕР№. РљСЌСЂРѕР» Арчер, Р’РёРєРё Карстенс, Дэвиду Касселю, Р­РЅРЅ РљРѕР№Р», Майклу Дункану, Джейн Форман, РЈСЌРЅРґРё Грин, Сюзан Грин, Р­СЂРёРєСѓ Йендрессену, Гэри Касс, РЁРёРІР° Кумару, Роберту РњРѕС…РёРЅРЅРё, Пам Морхауз, Пьеру Рамону, Аманде Селз Рё Р­Р№СЂРѕ Симончелли СЏ обязан многочисленными, чрезвычайно полезными обсуждениями. РЇ РІ долгу перед Костасом Эфтимиу Р·Р° его помощь РІ проверке фактов Рё РїРѕРёСЃРєРµ ссылок, Р° также РІ превращении РјРѕРёС… первоначальных набросков РІ СЂРёСЃСѓРЅРєРё, РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ которых РўРѕРј Рокуэлл создал — СЃ терпением святого Рё художественным РІРєСѓСЃРѕРј — иллюстрации Рє РєРЅРёРіРµ. РЇ также благодарен Р­РЅРґСЂСЋ РҐСЌРЅСЃРѕРЅСѓ Рё Джиму Сесна Р·Р° РёС… помощь РІ подготовке некоторых специальных СЂРёСЃСѓРЅРєРѕРІ.

Я благодарен Говарду Джорджи, Шелдону Глэшоу, Майклу Грину, Джону Шварцу, Джону Уилеру, Эдварду Виттену и, опять же, Эндрю Строминджеру, Кумруну Вафе и Габриэле Венециано за согласие ответить на вопросы и поделиться своими взглядами на различные темы, рассмотренные в книге.

Я счастлив выразить свою признательность Анжеле фон дер Липпе за ее проницательные замечания и ценные предложения, а также Трэйси Нэгл за ее исключительное внимание к деталям. Анжела и Трэйси были редакторами моей книги в издательстве W. W. Norton и немало способствовали значительному улучшению ясности изложения. Я также хотел бы поблагодарить моих литературных агентов, Джона Брокмана и Катинку Мэтсон, за квалифицированные рекомендации на всем протяжении работы над книгой, вплоть до ее выхода в свет.

Я хотел бы выразить самую искреннюю признательность за щедрую поддержку моих более чем пятнадцатилетних исследований в области теоретической физики Национальному научному фонду США, фонду Альфреда П. Слоана и Министерству энергетики США. Наверное, не удивительно, что мои собственные исследования посвящены воздействию, которое теория суперструн оказала на наши представления о пространстве и времени; в последующих главах я опишу некоторые из открытий, в которых мне посчастливилось принимать участие. Я надеюсь, что читатель получит удовольствие от чтения этих отчетов о собственной работе, хотя осознаю, что они могут создать преувеличенное впечатление о моей роли в разработке теории суперструн. Поэтому разрешите воспользоваться этой возможностью, чтобы выразить свою признательность более чем тысяче физиков по всему миру, отдающих свой труд и талант работе по созданию окончательной теории мироздания. Я приношу свои извинения тем, чьи работы я не назвал: это связано только с выбранной мной идеей построения книги и ограниченностью ее объема.

Наконец, я хочу выразить сердечную признательность Элен Арчер за ее бесконечную любовь и поддержку, без которой эта книга никогда не была бы написана.

Часть I. РќРђ РџР•РЕДНЕМ РљРРђР® ПОЗНАНИЯ

Глава 1. Связанные струной

Говорить о сознательном замалчивании было бы, конечно же, преувеличением. Однако более полувека — даже в разгар величайших в истории научных открытий — физики спокойно мирились с существованием темного облачка, клубящегося на далеком горизонте. А дело здесь вот в чем. Современная физика покоится на двух столпах. Один из них — это общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая дает теоретическую основу для понимания вселенной в ее наиболее крупных масштабах — звезд, галактик, скоплений галактик, и далее к необъятным просторам самой вселенной. Другой столп — это квантовая механика, дающая теоретическую базу для понимания вселенной в ее наименьших масштабах — молекул, атомов и далее вглубь субатомных частиц, таких как электроны и кварки. За годы исследований физики с невообразимой точностью экспериментально подтвердили практически все предсказания каждой из этих теорий. Но использование этих же теоретических средств с неизбежностью ведет еще к одному, обескураживающему выводу: в своей современной формулировке общая теория относительности и квантовая механика не могут быть справедливы одновременно. Эти две теории, обусловившие небывалый прогресс физики последнего столетия, который объяснил и расширение небес и основы строения материи, являются взаимно несовместимыми.

Если вам не приходилось ранее слышать об этом свирепом антагонизме, то вы, наверное, захотите узнать почему. Ответ не составляет большого секрета. За исключением наиболее экстремальных случаев, физики изучают либо объекты малые и легкие (как атомы и их составные части), либо объекты огромные и массивные (как звезды и галактики), но не те и другие одновременно. Это означает, что им достаточно было использовать либо только квантовую механику, либо общую теорию относительности, и они могли как бы невзначай отмахнуться от кричащего предостережения другой теории. На протяжении пятидесяти лет этот подход если и не подпадал под определение «блаженное неведение», то был весьма недалек от него.

Но Вселенная может быть экстремальной. В центрах черных дыр чудовищные массы сжимаются до микроскопических объемов. В момент Большого взрыва вся Вселенная была исторгнута из микроскопического ядра, по сравнению с которым песчинка весом в долю грамма выглядит исполином. Это примеры объектов, которые являются крошечными по размерам и, в то же время, невероятно массивными, и потому требуют одновременной наводки орудий как квантовой механики, так и общей теории отно-

12ВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ ВВВВВВВЧасть I. РќР° переднем краю познания

сительности. По причинам, которые будут становиться все более очевидными по мере продолжения нашего рассказа, при объединении уравнений общей теории относительности и квантовой механики начинается тряска, грохот и шипение пара, как в перегретом котле. Если выражаться менее образно, несчастливый союз этих двух теорий может приводить к появлению бессмысленных ответов на корректно поставленные физические вопросы. Даже если вы позволите глубинам черных дыр и началу Вселенной и далее скрываться под покровом тайны, вам не удастся избежать ощущения, что враждебность между квантовой механикой и общей теорией относительности вопиет о необходимости выработки более глубокого уровня понимания. Возможно ли, чтобы Вселенная была разделена на наиболее фундаментальном уровне, требуя одного набора законов для больших объектов и другого, несовместимого с первым, для малых?

Теория суперструн, зеленый новичок по сравнению с почтенными доктринами квантовой механики и общей теории относительности, отвечает на этот вопрос обнадеживающим «нет». Интенсивные исследования, проводившиеся в течение последнего десятилетия физиками и математиками всего мира, показали, что этот новый подход к описанию материи на ее наиболее фундаментальном уровне устраняет конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой. На самом деле теория суперструн дает больше. В этой новой системе общая теория относительности и квантовая механика необходимы друг другу для того, чтобы теоретические построения обрели смысл. Согласно теории суперструн, брачный союз законов макромира и микромира не только счастливый, но и неизбежный.

Но это только часть хороших новостей. Благодаря теории суперструн (или, для краткости, теории струн) этот союз делает гигантский шаг вперед. В течение трех десятилетий Эйнштейн был в поисках единой теории физики, которая должна была по его замыслу представлять собой единое теоретическое полотно, в ткань которого были бы вплетены все силы и взаимодействия природы и все составные элементы материи. Он потерпел неудачу. Сегодня, на заре нового тысячелетия, сторонники теории струн утверждают, что ускользающие нити этого единого полотна наконец-то найдены. Теория струн способна показать, что все удивительные события во Вселенной — от неистовой пляски субатомных кварков до величавых вальсов кружащихся двойных звезд, от изначального огненного шара Большого взрыва до величественных спиралей галактик — являются отражениями одного великого физического принципа, одного главного уравнения.

Поскольку эти особенности теории струн требуют радикального изменения наших представлений Рѕ пространстве, времени Рё материи, понадобится некоторое время, чтобы привыкнуть Рє новым понятиям, чтобы понимание РёС… смысла достигло достаточного СѓСЂРѕРІРЅСЏ. Однако, как станет СЏСЃРЅРѕ РёР· дальнейшего, если взглянуть РЅР° теорию струн РІ надлежащем контексте, ее появление окажется поразительным, однако естественным результатом революционных открытий физики XX столетия. РњС‹ СѓРІРёРґРёРј, что РІ действительности противоречие между общей теорией относительности Рё квантовой механикой было РЅРµ первым, Р° третьим РІ последовательности поворотных конфликтов, СЃ которыми столкнулась физика прошлого века. Разрешение каждого РёР· этих конфликтов приводило Рє радикальному пересмотру нашего понимания Вселенной.

Три конфликта

Первый конфликт, отмеченный учеными еще в конце XIX в., связан с загадочными свойствами распространения света. Коротко говоря, в соответствии с законами движения Исаака Ньютона, если бежать достаточно быстро, то можно догнать луч света, тогда как, согласно законам электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, это сделать невозможно. Как будет показано в главе 2, Эйнштейн разрешил это противоречие в своей специальной теории относительности, полностью изменив при этом наше понимание пространства и времени. Согласно специальной теории относительности время и пространство не могут более рассматриваться как универсальные понятия, устано-

Глава 1. Связанные струнойВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 13

аленные раз и навсегда и воспринимаемые всеми одинаково. Напротив, пространство и время, как следует из работ Эйнштейна, представляют собой податливые конструкции, форма и характеристики которых зависят от состояния движения наблюдателя.

Создание специальной теории относительности подготовило почву для второго конфликта. Одно из следствий работы Эйнштейна состоит в том, что никакой объект, никакое воздействие или возмущение не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света. Но, как будет показано в главе 3, подтверждаемая экспериментально и привлекательная на интуитивном уровне универсальная теория гравитации Ньютона включает в себя взаимодействия, которые мгновенно распространяются на огромные расстояния в пространстве. И снова в разрешение конфликта включился Эйнштейн, предложивший в 1915 г. новую концепцию тяготения в своей общей теории относительности. Эта теория точно так же опрокинула существовавшие представления о гравитации, как раньше это сделала специальная теория относительности с понятиями пространства и времени. Пространство и время не только зависят от состояния движения наблюдателя, они также могут деформироваться и искривляться в ответ на присутствие вещества или энергии. Как мы увидим далее, такие деформации структуры пространства и времени передают силу тяжести из одного места в другое. Следовательно, пространство и время нельзя более рассматривать как статичные декорации, на фоне которых разворачиваются события во Вселенной. Напротив, как показала специальная, а затем и общая теория относительности, они принимают самое непосредственное участие в событиях.

Вслед за этим история повторилась еще раз. Создание общей теории относительности, разрешив одно противоречие, породило другое. Начиная с 1900 г., в течение трех десятилетий физики развивали квантовую механику (обсуждаемую в главе 4) для решения нескольких кричащих проблем, возникших при попытке применить понятия XIX в. к микромиру. Как было сказано выше, третье и наиболее глубокое противоречие возникло из несовместимости квантовой механики и общей теории относительности. В главе 5 будет показано, что гладкая искривленность пространства в общей теории относительности находится в противоречии с вытекающим из квантовой механики неистовым, вихревым поведением Вселенной на микроскопическом уровне. До середины 1980-х гг., когда теория струн разрешила этот конфликт, он справедливо считался центральной проблемой современной физики. Более того, теория струн, построенная на основе специальной и обшей теории относительности, требует нового серьезного пересмотра наших концепций пространства и времени. Например, большинство из нас считает само собой разумеющимся то, что наша Вселенная имеет три пространственных измерения. Однако, согласно теории струн, это неверно. Теория струн утверждает, что Вселенная имеет гораздо больше измерений, чем доступно нашему глазу, но дополнительные измерения туго скручены и спрятаны в складчатой структуре космического пространства. Эти замечательные гипотезы о структуре пространства и времени играют такую важную роль, что они станут лейтмотивом всего последующего изложения. Теория струн, по существу, отражает историю развития представлений о пространстве и времени в постэйнштейновскую эпоху.

Чтобы понять реальную ценность теории струн, необходимо отступить на шаг назад и кратко описать то, что мы узнали о микроскопической структуре Вселенной в течение XX столетия.