Иэн Стюарт - Истина и красота. Всемирная история симметрии.

• Название: Истина и красота. Всемирная история симметрии.
• Автор: Иэн Стюарт
• Жанр: Математика

На протяжении многих веков симметрия оставалась ключевым понятием для художников, архитекторов и музыкантов, однако в XX веке ее глубинный смысл оценили также физики и математики. Именно симметрия сегодня лежит в основе таких фундаментальных физических и космологических теорий, как теория относительности, квантовая механика и теория струн. Начиная с древнего Вавилона и заканчивая самыми передовыми рубежами современной науки Иэн Стюарт, британский математик с мировым именем, прослеживает пути изучения симметрии и открытия ее основополагающих законов. Эксцентричный Джироламо Кардано — игрок и забияка эпохи Возрождения, первым решивший кубическое уравнение, гениальный невротик и революционер-неудачник Эварист Галуа, в одиночку создавший теорию групп, горький пьяница Уильям Гамильтон, нацарапавший свое величайшее открытие на каменной кладке моста, и, конечно же, великий Альберт Эйнштейн — судьбы этих неординарных людей и блестящих ученых служат тем эффектным фоном, на котором разворачивается один из самых захватывающих сюжетов в истории науки.

---

Я не хочу, чтобы у вас сложилось впечатление, будто, когда дело доходит до объединения квантовой теории с теорией относительности, суперструны — единственное, что есть в программе. Имеются и конкурирующие предложения — хотя все они страдают от того же отсутствия экспериментального подтверждения.

Одна идея, известная как некоммутативная геометрия, взращена французским математиком Аленом Конном. Он основывается на новой концепции геометрии пространства-времени. Большинство объединений исходят из идеи, что пространство-время представляет собой некоторое расширение релятивистской модели Эйнштейна, и пытаются как-то подогнать его под существующие фундаментальные частицы субатомной физики. Конн делает наоборот. Он начинает с математической структуры, известной как некоммутативное пространство, которое содержит все группы симметрии, возникающие в Стандартной Модели, а далее выводит свойства, аналогичные относительности. Математика такого пространства восходит к Гамильтону и его некоммутативным кватернионам, однако она сильно обобщена и модифицирована. При этом снова альтернативная теория имеет крепкие связи с теорией групп Ли.

Другая захватывающая идея — петлевая квантовая гравитация. В 80-х годах двадцатого века физик Абэй Аштекар предложил, как выглядели бы уравнения Эйнштейна в квантовой области, где пространство становится «зернистым». Ли Смолин и Карло Равелли развили его идеи, что привело к модели пространства, которое представляет собой нечто вроде средневековой кольчуги, собранной из очень маленьких, сцепленных между собой кусочков порядка 10−35 м в поперечнике. Они заметили, что детали структуры кольчуги становятся очень запутанными, когда звенья заузливаются или сплетаются между собой как косы. Однако не ясно, что эти возможности означают.

В 2004 году Санденс Билсон-Томсон открыл, что некоторые из этих кос точно воспроизводят правила сочетаний кварков. Электрический заряд кварка переинтерпретируется здесь в терминах топологии соответствующей косы, а правила их сочетаний следуют из простых геометрических операций с косами. Эта идея, все еще находящаяся во младенчестве, позволяет воспроизвести большинство частиц, наблюдаемых в Стандартной Модели. Она — последняя в ряду гипотетических предложений о том, что материя — реализованная здесь в виде частиц — может оказаться следствием «особенностей» в пространстве, таких как узлы, локализованные волны или более сложные структуры, где пространство перестает быть гладким и регулярным. Если Билсон-Томсон прав, то материя есть лишь скрученное пространство-время.

Электрон, представленный в виде косы.

Математики изучали топологию кос в течение многих лет, и давно известно, что косы образуют группу — группу кос. Операция «умножения» в ней состоит в присоединении концов нитей друг к другу[116] — в том же духе, как мы присоединяли друг к другу перестановки при рассмотрении подхода Руффини к уравнениям пятой степени. Мы опять видим, как физика основывается на предсуществующих математических открытиях, сделанных в основном «ради самих себя», только потому, что они казались интересными. И снова ключевым ингредиентом является симметрия.

В последних версиях суперструн главной проблемой стал кризис перепроизводства. На смену отсутствию всяких предсказаний пришло производство слишком большого их количества в теории. «Энергия вакуума» — энергетическое содержание пустого пространства — может быть практически любой в зависимости от того, как струны наматываются на дополнительные измерения пространства. Число способов, которыми это может происходить, поистине гигантское — около 10500. При различных выборах получаются различные значения энергии вакуума. При этом наблюдаемое значение очень, очень мало — около 10−120, однако не нулевое[117].

Согласно стандартной истории с «тонкой настройкой», это конкретное значение как раз подходит для существования жизни. Любое значение, превышающее 10−118, заставит локальное пространство-время взорваться; а все меньшее 10−120 приведет к тому, что пространство-время сожмется и исчезнет в космическом хлопке. Так что «окно возможностей» для жизни очень невелико. Чудесным образом наша вселенная именно в нем и оказалась.

«Слабый антропный принцип» гласит, что если бы наша вселенная не была устроена таким способом, каким она в действительности устроена, то нас бы там не оказалось и мы не задавались бы вопросом о ее устройстве; однако при этом остается открытым вопрос о том, почему нашлось «здесь», в котором мы можем жить. «Сильный антропный принцип» говорит, что мы здесь потому, что вселенная была спроектирована специально для существования в ней жизни, но это — мистическая чепуха. Никто в действительности не знает, какие возможности реализовались бы, если бы вакуумная энергия сильно отличалась от ее актуального значения. Нам известно, что ряд вещей пошел бы вкривь и вкось, но мы и представления не имеем о том, что бы могло появиться вместо них. Большая часть всех аргументов о тонкой настройке — ерунда.

В 2000 году Рафаэль Буссо и Джозеф Полчински предложили иной ответ, используя теорию струн и имеющиеся 10500 возможных значений энергии вакуума. Хотя число 10−120 очень мало, возможные уровни вакуумной энергии отделены друг от друга на 10−500 единиц, что есть еще меньшее число. Таким образом, большое число теорий струн дает вакуумные энергии в «правильном» интервале. Вероятность, что случайно выбранная энергия попадет в него, по-прежнему пренебрежимо мала, но Буссо и Полчински указали, что это несущественно. В конце концов «правильная» вакуумная энергия непременно возникнет. Идея состоит в том, что вселенная перебирает все возможные теории струн, застревая на каждой до тех пор, пока та не заставит эту вселенную рассыпаться, а затем квантово-механически тунеллирует к некоторой другой теории струн. Если подождать достаточно долго, то на некотором этапе вселенная приобретет вакуумную энергию, которая будет лежать в интервале, подходящем для жизни.

В 2006 году Поль Стайнхардт и Нил Тьюрок предложили вариацию на тему теории тунеллирования — циклическую вселенную, которая расширяется после Большого Взрыва и сжимается в Большом Схлопывании, повторяя такое поведение каждый триллион лет или около того. В их модели энергия вакуума убывает на каждом последовательном цикле, так что в конце концов вселенная получает очень малую, но не нулевую вакуумную энергию.

В той или иной модели вселенная, вакуумная энергия которой достаточно мала, будет тут околачиваться очень долго. Условия пригодны для возникновения жизни, а у жизни полно времени, чтобы развить разум и поинтересоваться, почему она тут оказалась.

Глава 15 Математическая кутерьма

У гусей — гогот, у львов — достоинство, у певчих птиц — пленительность, у жаворонков — ликование… А какое обобщающее существительное относится к математике? Великолепие математики? Слишком пафосно. Таинство математики? Пожалуй, немного чересчур. В результате многих выпавших на мою долю шансов понаблюдать за поведением математических индивидуумов, сбившихся в достаточно большое стадо, я пришел к выводу, что самое подходящее слово для того, что они устраивают, — «кутерьма».

Один из них в такой кутерьме изобрел одну из наиболее причудливых структур во всем предмете и открыл скрытое единство за таинственным фасадом. Их открытия, возникавшие по большей части из праздношатания в надежде, что под руку подвернется что-нибудь интересное, начинают проникать в теоретическую физику, и они могут оказаться ключевыми для некоторых самых любопытных свойств суперструн.

Математика суперструн — предмет настолько новый, что большая ее часть еще не изобретена. Но, по иронии судьбы, математики и физики как раз открыли, что суперструны, находящиеся на самом переднем крае исследований в современной физике, демонстрируют занятную связь с куском викторианской алгебры — настолько старомодным куском, что его редко упоминают в университетских курсах математики. Это алгебраическое изобретение известно как октонионы; они представляют собой структуру, идущую после вещественных чисел, комплексных чисел и кватернионов.

Октонионы были открыты в 1843 году, результат появился в печати в 1845-м за чужим авторством, и с тех пор их создатель неизменно указывался неправильно — но это большого значения не имело, поскольку внимания на них все равно никто не обращал. К 1900 году они впали в безвестность даже внутри математики. Недолгое возрождение выпало на их долю в 1925 году, когда Вигнер и фон Нейман попытались на их основе построить квантовую механику, но снова исчезли с горизонта, когда эта попытка не удалась. В 80-х годах двадцатого века они вынырнули снова из-за их потенциальной полезности в теории струн. В 1999 году они сыграли роль ключевого ингредиента в 10- и 11-мерной теориях суперструн[118].