Учась в Принстоне на втором курсе, я записался на лекции по римской истории. Курс был посвящён в основном Римской республике. В ходе изучения я обратил внимание, как римляне сочетали мирные и военные достижения. Они эволюционировали от неписаной конституции и зачатков представительной демократии к развитому гражданскому обществу, подчинив себе сначала ближайших соседей, потом весь Апеннинский полуостров и, наконец, установив своё господство на всём Средиземноморье и за его пределами. Не менее увлекательны и гражданские войны Поздней республики, закончившиеся установлением тирании и образованием империи.

И в современном английском языке, и в американском праве звучит эхо Древнего Рима. К чему далеко ходить — возьмите двадцатипятицентовую монету. Если монета отчеканена до 1999 года, то на её реверсе вы увидите орла, сидящего на пучке прутьев. Такой пучок называется «фасция» и является древнеримским символом власти. Римляне внесли огромный вклад в литературу, искусство, архитектуру, военную тактику и стратегию. А принятие римлянами христианства позволило последнему дожить до наших дней.

Меня восхищает римская история, но я не упомянул бы о ней, если бы она не вызывала у меня ассоциаций с темой моей книги — с теорией струн. Мы замечаем вокруг себя следы древнеримской культуры, но нас разделяют века. Энергетическая шкала физических явлений, описываемых теорией струн, конечно, если последняя верна, простирается настолько далеко, что это «далеко» лежит за пределами возможностей наших измерительных приборов. Если бы мы были способны охватить весь струнно-теоретический спектр энергий, то непосредственно наблюдали бы все те экзотические вещи, о которых я собираюсь рассказать: дополнительные измерения, D-браны, дуальности и многое другое. Всё это лежит в основе нашего наблюдаемого мира (повторюсь: если теория струн верна), подобно тому как древнеримская цивилизация лежит в основе нашего сегодняшнего общественного устройства. Только теорию струн отделяют от повседневного опыта не века истории, а порядки значений энергии. Чтобы достичь тех энергий, при которых можно непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений, предсказываемых теорией струн, ускорители элементарных частиц должны быть в сто триллионов раз мощнее, чем используемые сегодня.

Эта энергетическая пропасть ставит физиков в неловкое положение, вынуждая признать, что проверить теорию струн крайне трудно. В главах 7 и 8 я расскажу о попытках таких проверок, а в этой и двух следующих сосредоточусь на описании теории струн в терминах самой теории струн, без каких бы то ни было апелляций к реальному миру, за исключением разве что отдельных аналогий, которые потребуются для более наглядного объяснения. Представьте, что я пересказываю краткий курс римской истории: повествование изобилует множеством неожиданных развилок и поворотов, и зачастую вам трудно удержать его нить. Но мы изучаем древних римлян не столько для того, чтобы понять их, сколько для того, чтобы понять самих себя. Вот точно так же и теория струн содержит массу неожиданных развилок и поворотов, и я не ожидаю, что мои объяснения окажутся простыми и понятными, но надеюсь, что глубокое понимание теории струн поможет лучше понять наш реальный мир.

В данной главе мы сделаем три важных шага к этому пониманию. Первый шаг позволит увидеть, как теория струн разрешает фундаментальное противоречие между теорией гравитации и квантовой механикой. Второй шаг объяснит, каким образом струны колеблются и движутся в пространстве-времени. Третий — даст представление о том, как само пространство-время возникает в наиболее широко используемом математическом описании струн.

 

Гравитация против квантовой механики

Квантовая механика и Общая теория относительности — две триумфальные физические теории, возникшие в начале XX века, — как оказалось, не согласованы друг с другом. Трудность возникает при применении метода, получившего название перенормировка. Я расскажу о перенормировке на примере фотонов и гравитонов, о которых мы уже говорили в предыдущих главах. Суть несогласованности состоит в том, что фотоны приводят нас к перенормируемой теории (что означает: «хорошая теория»), тогда как гравитоны приводят к неперенормируемой теории, и это фактически означает, что у нас нет общей теории, описывающей фотоны и гравитоны.

Фотоны взаимодействуют с электрическими зарядами, но при этом сами по себе электрически нейтральны. Например, имеющий электрический заряд электрон в атоме водорода, перескакивая с одного энергетического уровня на другой, излучает фотон. Именно это я имею в виду, когда говорю, что фотоны взаимодействуют с зарядами. Утверждение, что сам фотон не имеет электрического заряда, равносильно утверждению, что свет не проводит электричество. Если бы это было не так, то вы каждый раз получали бы удар током, схватившись за какой-нибудь предмет, который достаточно долго пролежал на солнечном свету. Фотоны не взаимодействуют друг с другом; они взаимодействуют только с электрическими зарядами.

Гравитоны реагируют не на заряды, а на массу, энергию и импульс. А поскольку они переносят энергию, то взаимодействуют и друг с другом. Может показаться, что это не представляет особой проблемы, однако именно из-за этого мы и сталкиваемся с трудностями. Квантовая механика учит нас, что гравитоны ведут себя и как волны, и как частицы. Частицы гипотетически являются точечными объектами. А точечный гравитон будет притягивать вас тем сильнее, чем ближе к нему вы окажетесь. Его гравитационное поле может быть описано как испускание других гравитонов. Мы будем называть пробный гравитон материнским, а испускаемые им гравитоны — дочерними. Гравитационное поле вблизи материнского гравитона является очень сильным. А значит, его дочерние гравитоны обладают огромными энергиями и импульсами. Это непосредственно следует из принципа неопределённости: дочерние гравитоны наблюдаются на очень небольшом расстоянии Δx от материнского гравитона, и поэтому, согласно соотношению неопределённостей, Δp × Δx ≥ h/4π, неопределённость их импульса, Δp, очень велика. Беда в том, что гравитоны также чувствительны и к импульсу. Дочерние гравитоны сами будут испускать гравитоны. Весь процесс ветвится и невероятно быстро расходится: вы не можете учесть все последствия взаимодействия всех гравитонов.

На самом деле нечто подобное происходит и возле электрона. Если вы попытаетесь измерить электрическое поле очень близко к электрону, то спровоцируете его испустить фотон с очень большим импульсом. Это кажется безобидным, потому что, как мы знаем, фотоны не испускают другие фотоны. Беда в том, что фотон может родить электрон-позитронную пару, которая затем испустит ещё больше фотонов, которые породят новые электроны и позитроны... Полный бардак! Самое удивительное, что в случае с электронами и фотонами вы тем не менее можете полностью описать всё множество частиц, каскадно рождаемых друг от друга. Иногда говорят об одежде, или «шубе», из потомства, в которую укутан электрон. Физики употребляют для описания электронного потомства термин «виртуальные частицы». Перенормировка — это математический метод, позволяющий отследить всю эту кашу.

Слева: электрон (e−) испускает виртуальные частицы: фотоны (γ), позитроны (e+) и другие электроны. Каскад частиц нарастает сравнительно медленно для того, чтобы мы сумели отследить процесс математически, используя перенормировку. Справа: гравитон (h) испускает такое множество виртуальных гравитонов, что никакая перенормировка не в состоянии описать весь процесс

Идея перенормировки состоит в том, что «голый» электрон предполагается имеющим бесконечный заряд и бесконечную массу, но как только мы «одели» электрон, его заряд и масса приобретают конечные значения.

Проблема с гравитонами состоит в том, что мы не в состоянии перенормировать облако окружающих его виртуальных гравитонов. Общая теория относительности — теория гравитации — является неперенормируемой. Это может показаться просто запутанной технической проблемой: остаётся слабый шанс, что мы просто смотрим на проблему с неправильной стороны. Также существует ещё более слабый шанс, что теория, называемая Максимальной теорией супергравитации, окажется перенормируемой. Однако я и большинство струнных теоретиков уверены, что существуют фундаментальные трудности в объединении квантовой механики и гравитации.

Гравитон расщепляется внезапно. Расщепление струны происходит в некоторой конечной области пространства-времени, обеспечивая «мягкость» процесса

Теперь возьмём теорию струн. Исходное предположение, лежащее в её основе, заключается в том, что частицы не являются точечными. Вместо этого частицы представляются в виде колебательных мод струны. Согласно общепринятой идее теории струн, струны — это бесконечно тонкие, но имеющие конечную длину (порядка 10−34 метра) объекты, взаимодействующие друг с другом на манер гравитонов. «Стоп-стоп! — запротестуете вы. — Но разве в этом случае общие проблемы с облаком виртуальных частиц — в данном случае виртуальных струн — не приведут нас к такой же невозможности отследить весь процесс взаимодействия, как и в случае с гравитонами?» Нет. Тот факт, что струны не являются точечными объектами, убивает описанную проблему в зародыше. Источником трудности в случае с гравитонами является предположение, что они, в соответствии с термином «точечная частица», имеют бесконечно малые размеры. Замена гравитонов колеблющимися струнами сглаживает «острые углы» их взаимодействия друг с другом. «На пальцах» это можно пояснить так: когда гравитон порождает другой виртуальный гравитон, вы можете точно указать место и время, где это произошло. Но когда разветвляется струна, это выглядит как ответвление водопроводной трубы.

В месте ветвления нет точки, в которой происходит излом, Y-образная фигура, иллюстрирующая этот процесс, выглядит гладким непрерывным отрезком трубы, только необычной формы. Всё это приводит к тому, что деление струны оказывается более «нежным» процессом, нежели деление частицы. Физики говорят, что струны взаимодействуют по своей природе «мягко», в то время как частицы взаимодействуют по своей природе «жёстко». Именно эта мягкость и обеспечивает лучшее поведение теории струн, чем общей теории относительности, в отношении применимости квантово-механического описания.

 

Струны в пространстве-времени

Вспомним вкратце, что мы говорили о колебаниях фортепианной струны. Если туго натянуть струну между двумя колками и ударить по ней молоточком, она завибрирует с определённой частотой. Частота — это число колебаний в секунду. Помимо основной частоты, фортепианная струна вибрирует также на обертонах — колебаниях более высоких частот, придающих звуку рояля характерную окраску. Я приводил эту аналогию при описании поведения электрона в атоме водорода: он тоже имеет основную колебательную моду, соответствующую основному состоянию с минимальной энергией, и дополнительные моды, соответствующие более высоким энергетическим уровням.

Описанная аналогия, возможно, не полностью вас удовлетворит: «Ну и какое отношение имеет электрон в атоме водорода к стоячей волне на фортепианной струне?» — спросите вы. Большинству ближе аналогия с бесконечно малым планетоидом, кружащим по орбите вокруг крошечного солнца — атомного ядра, не так ли? Хороша ли такая аналогия? И да, и нет. Квантовая механика утверждает, что представление об электроне как о частице и представление об электроне как о волне настолько глубоко переплетены, что квантово-механическое движение электрона-частицы вокруг протона действительно может быть описано как стоячая волна.

Сравнение фортепианной струны со струнами, которые фигурируют в теории струн, на самом деле — очень правильный метод. Чтобы избежать путаницы с разными видами струн, я буду называть те струны, которыми занимается теория струн, «релятивистскими струнами». Этот термин имеет очень глубокий дидактический смысл, потому что теория струн включает в себя теорию относительности, как специальную, так и общую. Сейчас я хочу поговорить об одной конструкции теории струн, которая настолько похожа на фортепианную струну, насколько вообще может струна быть похожа на струну. Релятивистские струны могут оканчиваться на объектах, которые называют D-бранами. Если опустить эффекты, связанные со взаимодействием струн, то D-браны можно рассматривать как бесконечно тяжёлые. Подробно о D-бранах будет рассказано в следующей главе, а сейчас я сделаю лишь небольшое отступление, так сказать, в качестве «костыля». Простейшая D-брана называется D0-браной (произносится «дэ-ноль брана»). Это точечная частица. Я уже слышу возмущение отдельных читателей по поводу возвращения к точечным частицам: «Разве не заявлял недавно автор, что теория струн ставит своей целью избавиться от точечных частиц?». Ну да, так и было до середины 1990-хгодов, а потом точечные частицы опять вернулись в теорию струн, и не одни, а привели за собой целый зоопарк неведомых зверушек. Но я забегаю вперёд. Всё, что я хочу, — это привести струнно-теоретический аналог рояльных колков, удерживающих струну в натянутом состоянии, — и D0-браны настолько уместны в этой роли, что я не в силах удержаться от рассказа о них. Короче, натянем релятивистскую струну между двумя D0-бранами, как фортепианную струну между двумя колками. Сами D0-браны ни к чему не прикреплены, но они остаются неподвижными, поскольку имеют бесконечную массу. Забавно, не правда ли? Так, ладно. О D0-бранах — в следующей главе, а сейчас — только о натянутой струне.

Самый нижний энергетический уровень натянутой струны соответствует отсутствию колебаний. Ну... почти отсутствию, ведь небольшие квантовые колебания присутствуют всегда, и этот факт имеет важное значение. Правильнее всего представлять себе нижний энергетический уровень как обладающий небольшой колебательной энергией в рамках дозволенного квантовой механикой. Возбуждённые уровни релятивистской струны соответствуют её колебаниям либо на основной частоте, либо на обертонах основной частоты, причём она может вибрировать и на нескольких частотах одновременно, так же как и фортепианная струна. Но, так же как и электрон в атоме водорода, релятивистская струна не может вибрировать на произвольной частоте. Электрон может выбирать энергетические уровни из дискретного набора. У релятивистских струн всё точно так же. Разные колебательные уровни обладают разными энергиями, а поскольку масса и энергия связаны соотношением E = mc2, то разным колебательным состояниям соответствуют и разные массы.

Было бы замечательно, если бы я мог сказать, что частота колебаний струны связана с её энергией простым соотношением типа E = hv, как это было в случае фотонов. К сожалению, всё не так просто. Полная масса струны складывается из нескольких составляющих. Первая из них — это масса покоя струны, которая соответствует энергии натяжения струны между двумя D0-бранами. Вторая — масса, соответствующая колебательной энергии, которая в свою очередь складывается из энергий колебаний всех обертонов. Напомню, что энергия и масса связаны соотношением E = mc2. И наконец, третья составляющая — это масса, соответствующая энергии неустранимых квантовых флуктуаций, носящих название нулевых колебаний. Термин «нулевые колебания» заставляет нас помнить о принципиальной неустранимости квантовых флуктуаций. Так вот: вклад энергии нулевых колебаний в массу струны... отрицателен! Согласен, это странно. Очень странно. Чтобы показать, насколько это странно, я приведу такой пример. Если мы ограничимся одной колебательной модой струны, то увидим, что энергия нулевых колебаний этой моды положительна. Каждый из более высоких обертонов в отдельности даёт ещё больший положительный вклад в энергию струны. Но если мы соответствующим образом просуммируем вклады всех обертонов, то получим отрицательное число. Если вы считаете, что это недостаточно плохо, то вот вам ещё более скверная новость: я утаил часть правды, сказав, что вклад энергии нулевых колебаний отрицателен. Все эти эффекты — масса покоя, энергия колебаний и энергия нулевых колебаний — входят в выражение общей массы квадратами своих величин. И если в этой сумме преобладает энергия нулевых колебаний, то квадрат полной массы оказывается отрицательным, а это значит, что сама масса оказывается мнимой, как корень из минус единицы.

Колебания струны, натянутой между двумя D0-бранами

Прежде чем вы с возмущением отвергнете подобную чушь, позвольте мне добавить, что в теории струн устранению описанной проблемы посвящено целое направление исследований. В двух словах проблема состоит в том, что квадрат массы релятивистской струны в её низшем энергетическом состоянии отрицателен. Струны в таком состоянии называются тахионами. Да-да, это те же самые тахионы, которые в каждой серии противостоят героям «Звёздного пути». Это, безусловно, плохая новость. В описанной мной модели можно было бы избавиться от отрицательного квадрата массы, растащив D0-браны, к которым прикреплены концы струны, достаточно далеко, чтобы энергия натяжения струны стала больше энергии нулевых колебаний. Но когда поблизости нет никаких D0-бран, по-прежнему остаётся сама струна. Лишённая возможности прикрепиться к чему-либо, она может замкнуться сама на себя. Теперь она не натянута между чем-то и чем-то и может колебаться, а может и нет. Единственное, чего она не может перестать делать, — это флуктуировать на квантовом уровне. И, как и прежде, квантовые колебания превращают такую струну в тахион, что очень и очень плохо для теории. По современным представлениям, тахионы нестабильны, они сродни карандашу, балансирующему на острие. Можно попытаться уравновесить такой карандаш, но любое лёгкое дуновение опрокинет его. Теория струн, содержащая тахионы, напоминает теорию, описывающую миллионы стоящих на острие карандашей, заполняющих пространство.

Впрочем, я слишком сгустил краски. Существует спасительное решение и для тахионов. Предположим, что основному состоянию тахионной струны соответствует мнимая масса и её квадрат: m2 < 0. Колебательная энергия тоже даёт определённый вклад в квадрат массы. Используя правильную колоду и нужным способом сдав карты, можно добиться того, что полная масса струны будет в точности равна нулю. Это обнадёживает, потому что, как мы знаем, в реальном мире существуют безмассовые частицы, например фотоны или гравитоны. Следовательно, если струны действительно описывают реальный мир, то они должны быть безмассовыми или, более строго, по крайней мере некоторые квантовые состояния струн должны быть безмассовыми.

Обратите внимание, что нужно взять правильную колоду карт. Этой метафорой я хотел сказать, что нам понадобится 26-мерное пространство-время. Возможно, вы уже догадались, что к этому безобразию всё и придёт, поэтому я не стану извиняться. Имеется несколько аргументов в пользу 26 измерений, но большинство из них сугубо математические, и я боюсь, что основной массе читателей они не покажутся убедительными. Аргумент, который я приведу, более физический. Мы хотели бы получить безмассовые квантовые состояния струн. Мы знаем, что квантовые нулевые колебания «толкают» m2 в отрицательную сторону. Мы также знаем, что колебательные моды «толкают» m2 в противоположном направлении. Минимальное возможное значение энергии колебаний не зависит от размерности пространства, в то время как величина квантовых нулевых колебаний — зависит. Посмотрим на это вот с какой стороны: когда что-то колеблется — фортепианная струна или что-либо ещё, — оно делает это в каком-то определённом направлении. Фортепианная струна колеблется в том направлении, в котором по ней ударил молоточек; например, струна рояля колеблется вверх-вниз, но не вправо-влево. Колебание выбирает какое-то одно направление и игнорирует остальные. В противоположность этому квантово-механические нулевые колебания происходят во всех возможных направлениях, и добавление каждого нового измерения добавляет квантовой флуктуации ещё одно направление, в котором могут происходить колебания. Больше возможных направлений колебаний, или, как их называют, степеней свободы, означает большее количество флуктуаций, что приводит к большему отрицательному вкладу в m2. Остаётся лишь подсчитать, как правильно подобрать вклады в общую массу колебательных мод и нулевых колебаний. Получается, что одну колебательную моду с минимальным значением энергии компенсирует одно 26-мерное квантовое нулевое колебание. Смотрите на это с оптимизмом, ведь количество необходимых измерений могло оказаться нецелым! Что бы мы делали, например, с двадцатью шестью с половиной измерениями?

Если вы ещё не вполне освоились с разными типами колебаний, не переживайте. Они очень похожи. Единственное различие между колебательными модами и квантовыми нулевыми колебаниями состоит в том, что колебательные моды могут присутствовать, а могут и не присутствовать, в то время как нулевые колебания присутствуют всегда. Нулевые колебания — это те минимальные движения, наличия которых требует принцип неопределённости. Помимо основной моды, в колебаниях струны присутствуют и обертоны, придающие струне новые квантово-механические свойства. Я предпочитаю представлять себе различные моды в виде простых механических моделей, например круговых колебаний, колебаний в форме листа клевера или крутильных колебаний. Каждая форма соответствует отдельной частице. Другими словами, одна и та же струна может выступать в роли различных частиц в зависимости от формы происходящих на ней колебаний. Но говорить о форме колебаний всё же не совсем корректно, потому что эти колебания не механические, а квантово-механические. Правильнее говорить, что каждой частице соответствует своя квантовая мода. Геометрическая форма — это лишь удобный способ визуализации квантово-механических свойств.

Карикатуры на квантовые состояния струны, заставляющие её вести себя как тахион, фотон или гравитон

Итак, мы имеем: хорошую новость, плохую новость и очень плохую новость. Струны, обладая разными колебательными модами, способны вести себя как фотоны или как гравитоны. Это хорошая новость. Они могут делать это только в 26-мерном пространстве. Это плохая новость. Кроме того, существуют колебательные моды, приводящие к мнимым массам и превращающие струны в тахионы, которые привносят в теорию нестабильность. Ужаснее этой новости быть не может.

Переход к суперструнам позволяет излечить теорию от тахионов, а заодно снизить количество необходимых измерений с 26 до 10. К тому же суперструны допускают новый тип колебательных мод, заставляющий их вести себя как электроны. Это уже по-настоящему круто. А если бы ещё удалось придумать такие супер-пупер-струны, которые бы позволили сократить число измерений до четырёх, можно было бы открывать собственный бизнес по их продаже. В этой шутке присутствует лишь доля шутки. В действительности существует вариант супер-пупер-струнной теории, называемый «теория струн с расширенной локальной суперсимметрией», сокращающий число измерений до четырёх. К сожалению, эти измерения могут существовать только парами, то есть получаются либо четыре пространственных измерения и ни одного временно́го, либо два пространственных измерения и два временны́х. Словом, ничего хорошего. Нам-то нужно три пространственных и одно временно́е измерение. Из десяти измерений суперструнной теории — девять пространственных и одно временно́е. Нужно каким-то образом избавиться от шести лишних пространственных измерений, чтобы соотнести теорию с реальным миром.

Я много чего хотел бы рассказать о суперструнах, но этот рассказ ожидает своей очереди в следующих главах. Сейчас же я предпочту остановиться на вопросе лечения теории от тахионов. Суперструны флуктуируют не просто в пространстве-времени, а значительно более сложным и абстрактным образом. Эти особые виды флуктуаций позволяют решить проблему тахионов, но не так, как вы, возможно, подумали. Тахионы по-прежнему остаются в теории как одно из решений для колебательных мод, обладающих мнимой массой, но фишка в том, что если вы будете рассматривать моды, отвечающие за поведение суперструны как фотона, гравитона, электрона или какой-то другой реальной частицы, то, как бы вы ни сталкивали эти частицы, каким бы образом они между собой ни взаимодействовали, они никогда не порождают тахионы. Тахионы как бы возможны, но они никогда не возникают. И это означает, что теория по-прежнему балансирует на лезвии ножа, но существует особый тип симметрии, помогающий сохранять это хрупкое равновесие. Такой тип симметрии называется суперсимметрией. Физики надеются найти экспериментальные доказательства существования суперсимметрии в ближайшие годы. Если они их найдут, многие из нас поверят в суперструны. Но об этом — в седьмой главе.

 

Пространство-время из струн

Я потратил много времени на рассказ о колебаниях и флуктуациях струн в пространстве-времени. Но давайте вернёмся на шаг назад и спросим себя: «А что такое пространство? И что такое время?».

Существует точка зрения, согласно которой пространство является производной сущностью и имеет смысл только в отношении присутствующих в нём объектов. С этой точки зрения пространство описывается в терминах расстояний между объектами. Аналогично, время также не имеет смысла само по себе, а существует только как описание последовательности событий. Рассмотрим пару частиц A и B. Принято считать, что каждая из них движется по некоторой траектории в пространстве-времени и, если траектории частиц пересекаются, частицы сталкиваются. На первый взгляд в такой парадигме нет ничего плохого, но посмотрим с другой точки зрения. Что, если пространство и время не имеют никакого смысла в отсутствие частиц? Что это могло бы значить? Описывая траекторию частицы A, мы могли бы задать набор её пространственных координат как функцию времени и то же самое — для частицы B. Сделав это, мы можем свести роль пространства исключительно к механизму задания зависимости координат частиц от времени. Также мы будем знать, что частицы столкнулись, если пространственные и временны́е координаты частиц совпали.

Если это звучит для вас слишком абстрактно, представьте себе на месте частиц гоночные автомобили, снабжённые GPS-навигаторами и часами. Что мы можем узнать, изучая записанные GPS-навигаторами треки? Предположим, оба автомобиля движутся по одной и той же трассе, и первое, на что мы обращаем внимание, — автомобили периодически возвращаются в одну и ту же точку, пройдя одну и ту же дистанцию — длину гоночной трассы. Самые проницательные из нас воскликнут: «Ага! Трасса замкнута в кольцо». Допустим далее, мы обнаруживаем, что автомобили часто меняют свою скорость. Поломав голову, мы выскажем предположение, что автодром представляет собой не идеальный круг, а имеет повороты, на которых автомобили тормозят, и прямые участки, где автомобили разгоняются. А ещё мы бы могли заметить, что все автомобили, записи с которых у нас имеются, движутся по трассе в одном и том же направлении. Это привело бы нас к гипотезе о том, что существует некое правило, согласно которому все объекты, находящиеся на трассе, должны двигаться по ней в одном направлении. Наконец, мы бы обратили внимание на то, что автомобили часто сближаются друг с другом, но очень редко сталкиваются, и это навело бы нас на мысль, что столкновения автомобилей не являются главной целью автогонки.

Получается, что, только изучая GPS-треки гоночных автомобилей и применяя дедуктивный метод, вы можете кое-что узнать о геометрии автодрома и правилах гонок. Может показаться, что мы делаем это через... понятно что, вместо того чтобы просто посмотреть гонку вживую. Однако на самом деле наблюдение живой гонки — очень сложный процесс. Вы стоите у края гоночного полотна, и это означает, что вы не присутствуете одновременно во всех точках трассы. Вы смотрите на автомобили, и это означает, что вы видите не сами автомобили, а фиксируете отражённые от них фотоны, что заставляет принимать во внимание множество других физических явлений. Гораздо проще анализировать треки GPS, содержащие всю необходимую информацию о местоположении автомобилей в каждый момент времени. С GPS-треками вам не приходится вникать в такие тонкости, как положение зрителей на трибунах или отражение и преломление снующих туда-сюда фотонов. Вам не нужно спрашивать, да вы на самом деле и не можете задать осмысленный вопрос, существует ли мир за пределами автодрома. Вы даже не нуждаетесь в предположении о существовании самого автодрома. Вместо этого вы можете логически вывести его существование и предположить некоторые из его свойств, изучая записи движения автомобилей.

Многое в теории струн происходит похожим образом. На основании характера движения и взаимодействия струн делаются предположения о свойствах пространства-времени. Такой подход называется теорией струн на мировом листе. Мировой лист — это способ представления движения струн. GPS-трек движения автомобиля представляет собой мировую линию в пространстве-времени. Со струнами всё оказывается сложнее по двум причинам. Во-первых, струны — не точки. Они имеют протяжённость, поэтому, чтобы задать положение струны, вы должны задать положение всех её точек. Во-вторых, струны существуют в 26-мерном или, в лучшем случае, в 10-мерном пространстве, и эти пространственные координаты могут быть искривлены или свёрнуты довольно сложным образом. В отличие от зрителя автогонки, физик не может встать в сторонке и взглянуть оттуда на геометрию пространства-времени. Осмысленные вопросы имеют отношение только к характеру движения и взаимодействия струн. Само же пространство-время в теории струн на мировом листе имеет смысл лишь в аспекте поведения струн, но не само по себе.

Мировой лист струны является поверхностью. Если мы проведём по этой поверхности разрез, то получим кривую, которая и представляет собой струну. Разрезая лист разными способами, мы получим набор кривых; этот набор является аналогом набора точек, из которых состоит GPS-трек автомобиля. Каждая точка GPS-трека представляет положение автомобиля в определённый момент времени; аналогично каждая кривая, вырезанная из мирового листа, представляет струну в определённый момент времени.

Чтобы описать движение струны в пространстве-времени, необходимо для каждого момента указать положение в пространстве каждой точки на мировом листе. Представьте себе, что мы приклеили на мировой лист множество ярлычков. Вырезая из мирового листа кривую, вы получаете цепочку ярлычков, на каждом из которых записаны координаты и время. Мировой лист в целом представляет собой поверхность, которую заметает струна при своём движении в пространстве-времени.

Чтобы лучше понять, что я имею в виду под маркировкой мирового листа ярлычками, представьте себе топографическую карту. На ней проведены горизонтали, или линии равных высот. Каждая из этих линий помечена ярлыком, обозначающим высоту. Если линии идут слишком часто, то метки ставятся только у некоторых из них, например у каждой пятой. Топографическая карта является плоским листом, но она отображает трёхмерный рельеф местности.

Слева: два холма, разделённые седловиной. Справа: топографическая карта холмов с горизонталями, обозначающими линии равных высот

Хорошей аналогией является представление мирового листа струны как топографической карты, горизонтали которой описывают различные положения струны в пространстве-времени. Но можно встать на другую точку зрения и сказать, что мировой лист струны — это всё, что у нас есть, а пространство-время — не более чем набор ярлычков. На обычных топографических картах отметки горизонталей — это высоты над уровнем моря, и весь набор ярлычков — это просто набор возможных высот точек земной поверхности: от −400 до +8800 метров, исключая океаническое дно. На мировом листе теории струн каждый ярлычок — это положение в 26-мерном пространстве (или в 10-мерном в случае суперструнной теории). Некоторые из этих 26 измерений могут быть свёрнуты в кольцо и замкнуты сами на себя, как кольцевая гоночная трасса. Основная идея нашей концепции состоит в том, что пространство время «возникает» из способа, которым вы маркируете мировой лист, как если бы высота зависела от того, что вы нарисуете на топографической карте.

Подведём промежуточные итоги, а затем перейдём к одной из главных изюминок теории струн на мировом листе. Обычно мы представляем струны вибрирующими в пространстве-времени. Но пространство и время не обязаны быть абсолютными понятиями. Даже лучше, если это не так, потому что тогда некий внешний динамический принцип мог бы управлять формой пространства-времени. Именно так и случилось в теории струн. В теории струн на мировом листе пространство-время является просто набором ярлыков, позволяющих описать движение струны. Квантовая механика требует, чтобы эти ярлыки немного колебались. А теперь: барабанная дробь! В конечном итоге выходит так, что вы можете отслеживать эти квантовые флуктуации, только если пространство-время подчиняется уравнениям общей теории относительности. Общая теория относительности — напомню — это современная теория гравитации. Итак, квантовая механика плюс теория струн на мировом листе включают в себя гравитацию. Круто!

Объяснения «отслеживания» квантовых флуктуаций пространственно-временных ярлыков на мировом листе уведут нас глубоко в технические дебри, но я могу попытаться объяснить это «на пальцах», используя аналогию с гоночной трассой. Помните, я предположил, что мы могли бы догадаться, что автодром состоит из поворотов и прямых участков, заметив, что автомобили тормозят в одних местах трассы и разгоняются в других? Автодром также не имеет острых углов, потому что, чтобы повернуть в таком месте, автомобиль должен почти остановиться, что противоречило бы духу автогонок. В общей теории относительности тоже почти нет острых углов в пространстве-времени, потому что уравнения ОТО их запрещают. Я говорю «почти», потому что на самом деле острые углы, или, как их называют теоретики, сингулярности, разрешены, но только за горизонтом чёрных дыр. Интуитивно можно понять отсутствие острых углов в пространстве-времени по аналогии с отсутствием их на автодроме. Струны не могут проходить через сингулярности, так же как гоночные автомобили не могут проходить острые углы трассы без остановки, хотя есть и исключения. Исследование разрешённых типов сингулярности представляет собой отдельный и крайне увлекательный раздел теории струн. Обычно эти сингулярности не могут быть поняты в рамках общей теории относительности, так что теория струн разрешает существование гораздо более богатых классов геометрии пространства-времени, чем теория относительности.

Дополнительные геометрии возникают в теории струн в некоторых случаях, связанных с бранами, о которых пойдёт речь в следующей главе.