Эта статья является второй частью конспекта книги Скрытая реальность: Параллельные миры и глубинные законы Космоса.
Современная космология, от Большого взрыва до инфляции, ведет свое начало из общей теории относительности Эйнштейна. В новой теории гравитации Эйнштейн отбросил общепринятое представление о жестком и неизменном пространстве и времени; перед наукой предстал динамический космос. С накопленным к 1920-м годам математическим арсеналом и геометрической интуицией он приступил к развитию единой теории поля.
Под единой теорией поля Эйнштейн подразумевал некую схему, которая позволит включитьвсе силы природы в единую и самосогласованную математическую модель. Но десятилетия напряжённой работы Эйнштейна внаправлении объединения не оказали в то время значительного влияния цель была великой,но для неё не пришло ещё время. Позднее другие исследователи подхватили идею единойтеории. Наиболее успешная схема объединения получила название теорияструн.
Краткая история объединения
Когда Эйнштейн размышлял об объединении, науке были известны две силы: гравитация,описываемая его собственными уравнениями, и электромагнетизм, описываемый уравнениямиМаксвелла. Эйнштейн предполагал объединить две теории в единую математическуюконструкцию, которая сочленила бы действие всех сил в природе.
Цель была весьма амбициозна, и Эйнштейн отнёсся к ней очень серьёзно. У него былауникальная способность полностью отдаваться задаче, которую он перед собой поставил, ипоследние тридцать лет своей жизни он полностью посвятил проблеме объединения. Однако его последние вычисления непролили больше света на вопрос объединения.
После смерти Эйнштейна работа над единой теорией практически прекратилась. Многие физики переключились на изучение микромира, руководствуясь квантовой механикой. При этом делались успехи в раскрытии тайны атома и использовании его скрытой мощи.
В дальнейшем были экспериментально обнаружены друге взаимодействия: сильное ядерное и слабое ядерное. И теперь единая теория должна объединять не две силы, а четыре. Мечта Эйнштейна стала еще более призрачной.
В конце 1960-х и в начале 1970-х годов пошла обратная волна. Физики осознали, чтометоды квантовой теории поля, успешно применённые в электромагнетизме, также хорошоописывают слабое и сильное ядерные взаимодействия. Таким образом, все тринегравитационные силы описываются на одном математическом языке. Более того, приподробном исследовании этих квантовых теорий поля обнаружились взаимосвязи,указывающие на возможное единство электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.
Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Глэшоу, Салам и Вайнберг предположили, чтоэлектромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабоговзаимодействия. Электрослабая теория была подтверждена в экспериментах на ускорителе вконце 1970-х и начале 1980-х годов. Глэшоу и Джорджи пошли дальше и предложили, чтоэлектрослабое и сильное взаимодействия являются проявлениями ещё более фундаментальноговзаимодействия, в рамках подхода, который был назван великим объединением. Однакопростейшая версия великого объединения была отброшена, когда учёным не удалосьэкспериментально подтвердить одно из предсказаний что протоны должны время от временираспадаться. Тем не менее есть много других вариантов великого объединения, которые покаэкспериментально не отвергнуты, например, потому, что предсказываемая ими скорость распадапротона настолько мала, что чувствительность современного экспериментального оборудованиянедостаточна для обнаружения распада. Однако даже если великое объединение неподкрепляется экспериментальными данными, уже нет никаких сомнений, что тринегравитационных взаимодействия могут быть описаны на едином математическом языкеквантовой теории поля.
Всё это являлось впечатляющим продвижением к единой теории, однако на такомобнадёживающем фоне возникла досадная проблема. Когда учёные применили методыквантовой теории к четвёртой силе в природе гравитации, оказалось, что математика простоне работает. Как бы успешно ни работали общая теория относительности иквантовая механика на своих естественных масштабах, на больших и малых расстояниях,бессмысленный результат, полученный при попытке их объединения, означал глубокую трещинув понимании законов природы.
В середине 1980-х годов произошёл следующей ключевой скачок. Новая теория, теориясуперструн, завладела умами физиков по всему миру. Она смягчила разногласия между общейтеорией относительности и квантовой механикой и дала надежду, что гравитация может бытьвстроена в объединённый квантово-механический каркас. Была развита впечатляющая и изощрённаяматематическая структура, но многое в теории суперструноставалось неясным.
Открытие теории суперструн дало толчок к развитию других, тесно связанныхтеоретических подходов, направленных на поиски единой теории фундаментальныхвзаимодействий. В частности, суперсимметричная квантовая теория поля и её гравитационноерасширение (супергравитация) глубоко изучались в середине 1970-х годов. Суперсимметричнаяквантовая теория поля и супергравитация основаны на новом принципе суперсимметрии,который был открыт в рамках теории суперструн, но эти подходы подключают суперсимметриюк обычным теориям точечных частиц.
Позже начиная с середины 1990-х годов, попытки теоретиков распутать эти загадкинеожиданно привели теорию струн к сюжету с мультивселенными. Учёным давно былоизвестно, что математические методы, применяемые при анализе теории струн, используютмножество приближений, а потому их можно усовершенствовать. Когда была сделана частьуточнений, учёные осознали, что соответствующий математический аппарат ясно указывает, чтонаша Вселенная является, возможно, частью некоторой мультивселенной.
Квантовые поля
Начнем с рассмотрения традиционной квантовой теории поля.
В классической физике поля описываются как нечто типа тумана, который пронизывает область пространства и может переносить возмущения в виде ряби и колебаний. В квантовой механике понятия поля приводит к квантовой теории поля. Квантовая неопределенность заставляет значение поля в каждой точке случайно колебаться. Подобно воде, состоящей из молекул H2O, квантово-механическое поле состоит из бесконечно малых частиц кванты поля. Но как бы не представлять частицы в рамках квантовой теории поля они математически описываются как крохотные точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры.
Осведомлённый читатель может не согласиться с утверждением, что каждое полеассоциируется с частицей. Более точное утверждение звучит так: малые флуктуации поля окололокального минимума его потенциала обычно интерпретируются как возбуждения частиц.Этого определения будет достаточно для наших обсуждений. К тому же осведомлённыйчитатель заметит, что локализация частицы в точке сама по себе является идеализацией, потомучто для этого потребуется из принципа неопределённости бесконечный импульс иэнергия. Опять же суть в том, что в квантовой теории поля нет, в принципе, предела того, какможно локализовать частицу.
Вера физиков в квантовую теорию поля обусловлена одним существенным фактором: ни одинэксперимент не противоречит её предсказаниям. Наоборот, данные подтверждают, чтоуравнения квантовой теории поля описывают поведение частиц с изумительной точностью. После такого успеха можно ожидать, что квантовая теория поля является математическимфундаментом для понимания всех сил в природе. В результате упорного труда многих из физиков к концу 1970-х было установлено, чтослабое и сильное ядерные взаимодействия действительно прекрасно описываются квантовойтеорией поля.
Однако многие из физиковбыстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе гравитацией,гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются суравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использованиеуравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов такихкак вероятность того, что два электрона оттолкнуться друг от друга, притом, что ониэлектромагнитно притягиваются и гравитационно отталкиваются, как правило, приводит кответу бесконечность. Новероятности бесконечными быть не могут. По определению значение вероятности должнонаходиться между 0 и 1 (между 0 и 100, если считать в процентах). Бесконечнаявероятность шлёт очевидный математический намёк: совместное использование уравненийбессмысленно.
Физики выяснили, что проблема кроется в дрожании и флуктуациях из-за квантовойнеопределённости. Математические методы квантовой теории поля были разработаны дляанализа флуктуаций сильных, слабых и электромагнитных полей, но, при их применении кгравитационному полю полю, которое определяет кривизну пространства-времени, оказалось, что они бесполезны. Целое поколение физиков боролось с квантовымифлуктуациями, и к началу 1970-х годов были развиты математические методы, адекватноописывающие квантовые свойства негравитационных полей. Однако флуктуациигравитационного поля качественно другие. Они больше похожи на землетрясение. Посколькугравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуациисотрясают всю его структуру вдоль и поперёк. Математические методы, используемые дляанализа таких всеобъемлющих квантовых флуктуаций, перестают работать.
В течение многих лет физики смотрели сквозь пальцы на эту проблему, потому что онавозникает только при весьма экстремальных условиях. Гравитация вступает в игру, когдаобъекты очень массивны, а квантовая механика когда их размер очень мал. Редко бывает,чтобы предмет был одновременно и массивный, и малым. Однако подобныеситуации возникают. Когда гравитация и квантовая механика применяются для описания илиБольшого взрыва, или чёрных дыр, то есть когда действительно огромная масса веществасжимается до небольших размеров, математические методы перестают работать.
Насколько массивным и малым должна бытьфизическая система, для того чтобы и гравитация, и квантовая механика играли существеннуюроль. Ответ такой масса, примерно в 109 раз превышающая массу протона, так называемаямасса Планка, сжатая до фантастически малого объёма примерно 10-99 кубического сантиметра(грубо говоря, это сфера с радиусом 10-33 сантиметра с так называемой планковской длиной). Таким образом, расстояние, на котором квантовая гравитация вступаетв права, в миллион миллиардов раз меньшее расстояния, достижимого на самых мощных в миреускорителях. Такая огромная неисследованная территория легко может быть населена новымиполями и их частицами и кто знает, чем ещё.
Однако в середине 1980-х годов вфизическом сообществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзныйтеоретический прорыв в рамках подхода, названного теорией струн.
Теория струн
Хотя теория струн имеет репутацию сложной теории, её основная идея очень простая. Стандартная точка зрения, до теории струн, состояла в том, что фундаментальныесоставляющие являются точечными частицами точками без внутренней структуры, которые описываются уравнениями квантовой теории поля. Теория струн бросает вызов такому представлению, утверждая, что частицы неявляются точечными. Вместо этого, предлагается рассматривать их каккрошечные, струноподобные вибрирующие нити.
При более детальном рассмотрении, говорит теория, вы увидите, что струны в частицахразного типа неразличимы, но вибрируют они по-разному.Электрон менее массивен чем кварк, и согласно теории струн, это означает, что струнаэлектрона вибрирует менее энергично, чем струна кварка. Различные свойства частиц объясняются разным вибрационным поведением нитей втеории струн, подобно тому как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разныхмузыкальных нот.
По причине бесконечномалого размера струны, порядка планковской длины 10-33 сантиметра, даже самые точныесовременные эксперименты не могут подтвердить или опровергнуть протяжённую структуруструны. БАК, на котором частицы сталкиваются друг с другом приэнергиях, превышающих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться дорасстояний примерно 10-19 сантиметра; это миллионная от миллиардной доли толщины волоса,но всё же оно слишком велико, на много порядков больше планковских расстояний. Поэтомуструны выглядят как точки, даже если их изучать на самых мощных в мире ускорителях частиц. Тем не менее,согласно теории струн, частицы являются струнами.В этом, в двух словах, и заключается теория струн.
Струны, точки и квантовая гравитация
Следует подчеркнуть три особо важных момента.
Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощьюквантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию. Этот выбордиктуется экспериментальными ограничениями, а также теоретическими предпосылками. Главным примером является Стандартная модель. Рассматриваемая каквенец достижений физики частиц XX столетия благодаря своей способности правильноописывать большое количество данных, собранных на ускорителях частиц по всему миру,Стандартная модель является квантовой теорией поля. Стандартная модель,безусловно, крайне успешна, но многие физики полагают, что по-настоящему фундаментальноепонимание не требует такого разношёрстного набора ингредиентов. Впечатляющее свойство теории струн состоит в том, что частицы определяются самойтеорией: разные типы частиц соответствуют разному вибрационному поведению струны. Тогда потенциал и перспективы теории струнзаключаются в том, чтобы превзойти квантовую теорию поля путём получения всех свойствчастиц математически. Теория струн строится непоследовательнымиприближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самогоначала.
Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужнымисвойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля. Исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица получившая название гравитон, соответствующая квантовому гравитационному полю. Былопоказано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантовомеханическим свойством, известным как спин-2.
В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по протоптанному пути,известному в истории физики. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высокихскоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы; квантовая механика и квантовая теория поля вводятнас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые имисвойства непохожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории впривычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям,открытым до XX столетия к классической механике Ньютона и классическим полямФарадея, Максвелла и других.
Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своихпредшественников и отступить от нарисованной схемы ниже. Замечательно, что этого не происходит.Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия.При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смоглиуютно разместиться в её математическом аппарате.
Пространственные измерения
В первые годы исследований по теории струн физикистолкнулись с фатальными математическими изъянами, например, спонтанное возникновение илиисчезновение энергии. В 1970-х многие думали, что от теории струн необходимо отказаться. Нонекоторые исследователи упорно придерживались другой точки зрения.
В результате сложных исследований было выяснено, что проблемные свойства тесносвязаны с числом пространственных измерений. В уравнениях теории струн нет изъянов во вселенной с девятьюпространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет десятьизмерений.
Автор книги подмечает, что без технических подробностей будет тяжело или даже невозможность (по крайней мере, для него) объяснить, как это происходит. Так что здесь он дает некую техническую наводку. В теории струн есть одно уравнение, вкотором присутствует вклад вида (D - 10) умножить на (проблему), где D это числопространственно-временных измерений, а проблема это некое математическое выражение,приводящее к проблемному физическому явлению, подобному ранее упомянутому нарушениюзакона сохранения энергии. Автор не может предложить никакого интуитивного, нетехническогообъяснения, почему уравнение имеет именно этот вид. Но в вычислениях возникает именно оно.Простое, но ключевое наблюдение состоит в том, что, если число измерений равно десяти, а нечетырём, как можно было бы ожидать, вклад в уравнение становится 0 умножить на проблему.Поскольку умножение на ноль всегда даёт ноль, во вселенной с десятью пространственно-временными измерениями проблема исчезает. Именнопоэтому физики, занимающиеся теорией струн, рассматривают вселенную, в которой болеечетырёх пространственно-временных измерений.
В начале XX столетия в нескольких статьях математика Калуцы и физика Клейна было высказанопредположение о существовании измерений, легко ускользающих от обнаружения. Онипредсказывали, что в отличие от привычных пространственных измерений, простирающихся набольшие или даже бесконечные расстояния, могут существовать дополнительные измерения,настолько малые и скрученные, что их очень трудно увидеть. На рисунке поверхность высокой трубочки имеет два измерения; длинноевертикальное измерение легко увидеть, а малое круговое измерение обнаружитьтруднее.
Из предложения КалуцыКлейна следует, что похожее различие между однимиизмерениями, большими и легко видимыми, и другими, малыми и слабо различимыми, можетиметь место и для структуры самого пространства. Причина, по которой мы всё знаем опривычных трёх пространственных измерениях, может быть в том, что их протяжённость велика(может даже бесконечны). Однако если дополнительное пространственное измерение скручено и имеет чрезвычайно малый размер, то оно совершенноравноправно обычным нескрученным измерениям и при этом остаётся невидимым даже длясамого мощного современного увеличивающего оборудования. Так начиналась теория КалуцыКлейна, гипотеза о том, что нашаВселенная имеет больше трёх пространственных измерений.
Если вернуться в 1920-е годы, откуда вообще возникла такая экзотическая идея? Калуцазаинтересовался этим, потому что вскоре после публикации Эйнштейном общей теорииотносительности ему на ум пришла одна идея. Он обнаружил, что может модифицировать уравнения Эйнштейна и применить их ковселенной с одним дополнительным пространственным измерением. Результат изучениямодифицированных уравнений оказался захватывающим. Среди модифицированных уравнений Калуца обнаружил уравнения, уже применённыеЭйнштейном для описания гравитации в трёх пространственных и одном временномизмерениях. Но поскольку новая формулировка включала одно дополнительноепространственное измерение, Калуца обнаружил дополнительное уравнение. Получивэто уравнение, Калуца распознал в нём уравнение электромагнитного поля, обнаруженноеМаксвеллом полувеком ранее.
Как показал Калуца, во вселенной с одним дополнительным пространственным измерениемгравитация и электромагнетизм могут быть описаны единым образом как пространственно-временные искривления. Но гравитация рябит в привычных трёх пространственныхизмерениях, а электромагнетизм в четвёртом. Огромной проблемой для гипотезы Калуцыстало объяснение того, почему мы не видим четвёртое пространственное измерение. Именнотогда Калуца предложил описанное выше решение: дополнительные измерения, если онидостаточно малы, могут ускользать от фиксации нашими органами чувств и оборудованием.
Однако последующие исследования показали, чтопрограмма КалуцыКлейна сталкивается с некоторыми препятствиями, самым трудным изкоторых является невозможность встроить детальные свойства частиц материи, таких какэлектрон, в математическую структуру. В течение двух десятилетий предлагались и отвергалисьразличные способы обойти эту проблему. Однако поскольку не былопредложено ни одного подхода, свободного от этих недостатков, то к середине 1940-х годовидея объединения через дополнительные измерения практически была забыта.
Спустя тридцать лет возникла теория струн. Математический аппарат теории струн непросто разрешал существование во Вселенной дополнительных измерений, он требовал ихприсутствия. Теория струн возродилапрограмму КалуцыКлейна, и к середине 1980-х годов учёные во всём мире воодушевлённополагали, что это только вопрос времени, когда теория струн приведёт к полному описанию всей материи ивзаимодействий.
Большие надежды
В первые годы теории струн развитие происходило настолько быстро, что уследить за всеминовостями было практически невозможно. При таком возбуждениипонятно, что некоторые теоретики заговорили о скорой революции в решении основныхпроблем фундаментальной физики: слиянии гравитации и квантовой механики, объединениивсех сил в природе, выяснении происхождения Вселенной. Ноболее умудрённые физики полагали, что такие надежды преждевременны. Теория струннастолько насыщена, обширна и математически трудна, что спустя почти три десятилетия послепервой эйфории современные учёные одолели лишь часть исследовательского пути. С учётомтого, что мир квантовой гравитации в сотни миллиардов миллиардов раз меньше чем всё, чтомы сегодня можем экспериментально измерить, дорога будет длинная, даже по самымскромным оценкам.
Теория струн и свойства частиц
Один из самых основных вопросов всей физики стоит так: почему частицы, которыенаблюдаются в природе, являются именно такими, а не какими-нибудь другими? Интерес к этому вопросу непросто академический, он отражает очень важный факт. Если бы у частиц были другие свойства, ядерные процессы, питающие звёзды, подобные нашему Солнцу, были бы нарушены. Вселенная без звёзд была бы совсем другой. Очевидно, что без солнечного света и тепла невозникла бы сложная цепочка событий, приведшая к возникновению жизни на Земле. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: как с помощью ручки, бумаги и, возможно,компьютера, а также руководствуясь нашим пониманием законов природы, вычислить свойствачастиц и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными.
В рамках квантовой теории поля ответа на этот вопрос нет и не может быть. В квантовойтеории поля измеренные свойства частиц выступают в качестве исходных данных на ихоснове строится и определяется сама теория.
Сможет ли теория струн справиться с этим лучше? Одна из самых красивых черт струнной теории состоит в том, что свойства частиц определяются размером и формойдополнительных измерений. Поскольку струны очень малы, они вибрируют не только в трёхпривычных больших измерениях, но и в малых, свёрнутых измерениях. Колебания струн вструнной теории определяются формой скрученных измерений. Вспоминая, что вибрационноеповедение струн определяет свойства частиц, такие как массу и электрический заряд, мы видим,что эти свойства диктуются геометрией дополнительных измерений. Поэтому если достоверно известно, как выглядят дополнительные измерения в теорииструн, то можно легко предсказать любые свойства вибрирующих струн и, следовательно, всесвойства элементарных частиц, порождённых колебаниями струны. Трудность, как и раньше, втом, что никто не знает, какова точная геометрическая форма дополнительных измерений.Уравнения теории струн накладывают математические ограничения на геометриюдополнительных измерений и требуют, чтобы они принадлежали частному классу такназываемых пространств КалабиЯу. Проблема в том, что неткакой-то одной, выделенной формы КалабиЯу. Наоборот, эти пространства имеют разные размеры и контуры. Дополнительные измерения, различающиесяпо размерам и по форме, порождают разные вибрации струн и, следовательно, разные наборы свойствчастиц. Отсутствие однозначной спецификации для дополнительных измерений являетсяглавным камнем преткновения, который не позволяет струнным теоретикам делатьконкретные предсказания.
В середине 1980-х годов, было известно небольшоеколичество пространств КалабиЯу, поэтому можно было надеяться проанализировать каждоеиз них и соотнести с известной физикой. Спустя несколько лет, число пространств КалабиЯу возросло до нескольких тысяч, что сталосерьёзной задачей для обстоятельного изучения.Время шло и число страниц в каталоге пространств КалабиЯу только увеличивалось. Теперь их больше чем песчинок на пляже. И речи быть не может о том, чтобы математически рассмотретькаждое на роль дополнительных измерений. Поэтому струнные теоретики продолжают поискматематической подсказки, которая позволит выделить из всех возможных пространств КалабиЯу то самое, единственное.
Теория струн пока не реализовала свои возможности по объяснению свойствфундаментальных частиц. В этом отношении теория струн до сих пор не имеет особыхпреимуществ перед квантовой теорией поля.
Теория струн и эксперименты
Если типичная струна имеет чрезвычайно крохотный размер, то для обнаружения еёпротяжённой структуры той самой характеристики, которая отличает её от частицы потребуется ускоритель в миллионы миллиардов раз мощнее, чем БАК. Предполагая, чтовыдающийся технологический прорыв не предвидится, такая ситуация означает, что насравнительно малых энергиях, достижимых на имеющихся ускорителях, струны неотличимы отточечных частиц. Экспериментальная версия упомянутого ранее теоретического факта:на низких энергиях теория струн сводится к квантовой теории поля. Таким образом, даже еслитеория струн и является правильной фундаментальной теорией, в широком диапазоне доступныхэкспериментов она будет проявляться как квантовая теория поля.
Выбор полей и кривых энергий в квантовой теории поля равносилен выбору формыдополнительных измерений в теории струн. Одна из проблем в теории струн состоит в том, чтоматематика, которая связывает свойства частиц с формойдополнительных измерений, в высшей степени своеобразна. Поэтому работа в обратномнаправлении очень трудна использование экспериментальных данных для определенияконкретной формы дополнительных измерений, аналогично тому, как такие данные определяютсостав полей и кривых энергий в квантовой теории поля. В обозримом будущем наиболее обещающим способом связи теории струн сэкспериментальными данными будут предсказания, которые можно объяснить спомощью более традиционных методов, но для которых гораздо более естественное иубедительное объяснение возникает из теории струн.
Теория струн, сингулярность и черные дыры
В большинстве ситуаций квантовая механика и гравитация успешно игнорируют друг друга,при этом первая применяется к малым объектам, таким как молекулы и атомы, а вторая кбольшим объектам, соразмерным звёздам и галактикам. Однако обе теории вынужденывстречаться в мирах, известных как сингулярности. Сингулярность это любая физическаяситуация, реальная или гипотетическая, которая настолько экстремальна (огромные массы,малый размер, гигантская кривизна пространства, проколы или разрывы в самойпространственно-временной структуре), что квантовая механика и общая теорияотносительности ведут себя неадекватно.
Цель любой квантовой теории гравитации - свести воедино квантовуюмеханику и гравитацию таким образом, чтобы сингулярности исчезли. Именно в этом направлении теория струн достигласвоих самых впечатляющих успехов, уменьшив список сингулярностей.
В середине 1980-х годов группа исследователей пришла к выводу, что некоторые проколы в тканипространства, которые доставляли много хлопотуравнениям Эйнштейна, прекрасно ведут себя в теории струн. Ключ к успеху состоял в том, чтоструна в отличие от точечной частицы не может свалиться в такой прокол. Поскольку струна это протяжённый объект, она может удариться о прокол, может обмотаться вокруг него либовоткнуться в него, но подобного рода умеренные взаимодействия совершенно не портятуравнения теории струн. Это важно не потому, что такие изъяны в пространстве действительноимеют место может, да, а может, и нет, а потому, что именно таких свойств физики хотят отквантовой теории гравитации: способности работать осмысленно в ситуации, когда поотдельности отказывают как общая теория относительности, так и квантовая механика.
В 1990-х годах было установлено, что более сильные сингулярности(известные как флоп-сингулярности), возникающие при сжатии сферической областипространства до бесконечно малого размера, тоже описываются теорией струн. Интуицияподсказывает, что струна при движении может накрутиться на такую сжатую областьпространства, подобно обручу на мыльный пузырь, создавая нечто вроде кругового ограждения.Вычисления показывают, что такой струнный щит сводит на нет любые потенциальноразрушительные последствия и гарантирует, что уравнения теории струн остаютсянепротиворечивыми.
За прошедшие годы исследователи показали, что множество других, более сложныхсингулярностей также полностьюконтролируются теорией струн.
Но остаётся проблема устранения с помощью теорииструн сингулярностей чёрных дыр и Большого взрыва, более суровых, чем рассмотренные ранее.
Тем не менее одно важное открытие пролило свет на теорию чёрных дыр. В 1970-х годах вработах Бекенштейна и Хокинга было установлено, что чёрные дыры обладаютопределённой степенью беспорядка, известной как энтропия. Беспорядок внутри чёрной дыры, согласно фундаментальным физическимзаконам, свидетельствует о множестве вариантов случайного размещения её внутренностей.Однако даже после долгих усилий физикам не удалось достаточно хорошо разобраться в том,как устроены внутренности чёрных дыр, не говоря уж о том, чтобы проанализироватьвозможные способы их размещения. Однако смешав фундаментальные ингредиенты теории струн, они построили математическую модель беспорядка чёрнойдыры, достаточно простую и понятную, чтобы извлечь из неё численное значение энтропии.Полученный результат в точности совпал с ответом Бекенштейна и Хокинга. Хотя осталосьмного открытых вопросов, этаработа стала первым надёжным квантово-механическим анализом беспорядка чёрной дыры.Замечательный прогресс в изучении сингулярности чёрной дыры и её энтропии привёлфизическую общественность к обоснованной убеждённости, что со временем оставшиесятрудности, связанные с чёрными дырами и Большим взрывом, будут преодолены.
Оценивая текущий статус теории струн, многие струнные теоретики считают, чтоследующий важный шаг состоит в том, чтобы придать уравнениям теории наиболее полный иточный вид. Большая часть исследований на протяжении первых двух десятилетий развитиятеории до середины 1990-х годов была выполнена с помощью приближённых уравнений, ибомногие полагали, что так можно выявить общие свойства теории. Однако приближённыеуравнения оказались слишком грубы, чтобы дать точные предсказания. Последние открытия вывели понимание на уровень, намного превосходящий тот, чтобыл достигнут приближёнными методами.