Написах "Елегантната вселена" в опит да направя забележителните открития, идващи от предната линия на физическите изследвания, достъпни за широк спектър читатели, особено онези, които не са учили математика или физика. По време на публичните лекции върху теорията на суперструните, които изнасях през последните няколко години, станах свидетел на масово желание да се разбере какво твърди съвременната наука за фундаменталните закони на вселената, как тези закони изискват основно преразглеждане на нашето схващане за мирозданието и какви предизвикателства стоят пред нас в търсенето на окончателната теория. Надявам се, че като обяснява основните постижения на физиката още от времето на Айнщайн и Хайзенберг и описва как техните открития донасят неподозирани плодове под формата на съвременните пробиви в науката, тази книга ще задоволи и едновременно допълнително ще възбуди това любопитство.
Също така тая надежда, че "Елегантната вселена" ще представлява интерес и за читатели, които имат научна подготовка. Надявам се, че на учителите и студентите по точни науки книгата ще поднесе в ясна форма основните понятия на съвременната физика от специалната теория на относителността, общата теория на относителността и квантовата механика, като в същото време им предаде заразителното вълнение на изследователите, които се приближават към отдавна търсената обединена теория. За страстния читател на популярни научни статии и книги съм се опитал да обясня много от въодушевяващите разкрития, допринесли за напредъка в нашето разбиране на мирозданието през последните десет години. А на колегите ми от други научни дисциплини се надявам тази книга да покаже по честен и балансиран начин защо физиците, занимаващи се с теория на струните, са толкова въодушевени относно прогреса, постигнат в търсенето на окончателната теория на природата.


Глава 11
Разкъсване на тъканта на пространството

Ако упорито разтягаме гумена ципа, тя рано или късно ще се скъса. Този прост факт е карал през годините много физици да си задават въпроса дали същото важи за пространствената тъкан, изграждаща вселената. Или по-точно, възможно ли е тъканта на пространството да се разкъса, или това е просто погрешна представа, възникнала от вземането твърде на сериозно на аналогията с гумената ципа.
Общата теория на относителността на Айнщайн отговаря – не, тъканта на пространството не може да се разкъса((1)). Уравненията на общата теория на относителността имат своите дълбоки корени в римановата геометрия. Както отбелязахме в предишната глава, това е система, която анализира изкривяванията в отношенията между разстоянията между близки области от пространството. За да може да се опишат смислено тези отношения между разстоянията, математическият апарат изисква субстратът на пространството да бъде гладък – термин със строго математическо значение, чиято всекидневна употреба все пак улавя същността му: да няма ръбове от нагъвания, дупки, “залепени” едно към друго парчета, нито пък разкъсвания. Ако в тъканта на пространството се появят такива неправилности, уравненията на общата теория на относителността престават да действат, което пък дава път на един или друг вид космическа катастрофа – унищожително събитие, което нашата държаща се прилично вселена явно избягва.
Това не е попречило на теоретиците с въображение да обмислят през годините възможността една нова формулировка на физиката, простираща се отвъд класическата теория на Айнщайн и включваща квантовата физика, да покаже, че могат да съществуват разкъсвания, пробиви и слепвания на тъканта на пространството. Всъщност осъзнаването, че квантовата физика води до сериозни сътресения на малки разстояния , подтикна някои учени да изкажат предположение, че дупките и разкъсванията са обичайно свойство на тъканта на пространството в микроскопични мащаби. Концепцията за проходи в пространството (с които е запознат всеки почитател на “Стар трек – Дълбок космос 9”) се основава на подобни размисли. Идеята е проста – представете си, че сте президент на голяма корпорация с главен офис на 90-ия етаж в една от кулите на Световния търговски център в Ню Йорк. Поради каприз на корпоративната история един отдел от вашата компания, с който все по-често се налага да контактувате, се е приютил на 90-ия етаж на другата кула. Тъй като не е практично да се премести нито единият от двата офиса, вие излизате с естествено предложение – да се построи мост между двете кули, който да свързва помещенията. Това ще позволи на служителите да се движат свободно, без да се налага да слизат и изкачват 90 етажа.
Пространственият проход играе подобна роля. Това е мост или тунел, който осигурява пряк път от една област на вселената към друга. Ако използваме двумерен модел, представете си, че вселената има форма като на фигура 11.1.

Фигура 11.1 (а) В “U-образна” вселената единственият начин да се мине от единия край до другия е да се пропътува през целия космос. (б) Тъканта на пространството се разкъсва и започват да израстват двата края на пространствения проход. (в) Двата края на прохода се сливат, образувайки нов мост или кратък път от единия край на вселената до другия.

Ако главният офис на вашата фирма се намира близо до долния кръг на фигура 11.1(а), можете до стигнете до другия си офис край горния кръг само като минете от единия край на вселената до другия по цялата дължина на пътя с формата на U. Но ако тъканта на пространството може да се разкъсва в пробиви като на фигура 11.1(б) и тези отвори могат да “образуват” пипала, които да се слеят като на 11.1(в), тогава отдалечените преди области ще може да се съединят с пространствен мост. Това е проход в пространството. Отбележете, че пространственият проход е подобен на моста в Световния търговски център, но има една съществена разлика. Мостът в Световния търговски център ще прекоси област от съществуващо пространство, пространството между двете кули. От друга страна, проходът създава нова област от пространството, тъй като изкривеното двумерно пространство на фигура 11.1 е всичко, което съществува (в рамките на нашата двумерна аналогия). Областите, които се намират извън ципата, просто показват неадекватността на илюстрацията, която изобразява вселена с формата на U, като че ли е тя е обект в нашата вселена с повече измерения. Проходът създава ново пространство и е нещо като пионер в нови пространствени територии.
Съществуват ли във вселената пространствени проходи? Никой не знае. А ако съществуват, съвсем не е ясно дали приемат само микроскопични форми, или могат да пресичат огромни райони на космоса (както в “Дълбок космос 9”). Но основен елемент за оценяване дали са истина, или измислица, е определянето доколко е възможно разкъсването на тъканта на пространството.
Черните дупки представляват друг привлекателен пример, в който тъканта на пространството е опъната до максимум. На фигура 3.7 видяхме, че огромното гравитационно поле на черна дупка води до такава кривина, че изглежда като че ли тъканта на пространството е прищипана или пробита в центъра на черната дупка. За разлика от пространствените проходи, съществуването на черните дупки се подкрепя от силни експериментални доказателства, така че въпросът какво се случва в центъра им е научен, а не чисто умозрителен. И отново уравненията на общата теория на относителността престават да действат при подобни екстремални условия. Някои физици твърдят, че действително има пробив, но ние сме защитени от тази космическа “сингуларност” от хоризонта на събитията на черната дупка, който не позволява на нищо да избяга от нейната гравитационна хватка. На базата на тези размишления Роджър Пенроуз от Университета в Оксфорд издига хипотезата “за космическата цензура”, според която на подобни пространствени неправилности е позволено да се случват само скрити добре от погледа ни зад завесата на хоризонт на събитията. От друга страна, преди откриването на теорията на суперструните някои физици предполагаха, че подходящо обединяване на квантовата механика и общата теория на относителността ще покаже, че пробивът в пространството всъщност е изгладен – един вид, “зашит” – от квантови съображения.
С откриването на теорията на струните и хармоничното сливане на квантовата механика и гравитацията най-сетне можем да се обърнем към изучаването на тези въпроси. Макар те все още да не могат да получат пълен отговор от тази теория, през последните няколко години беше намерено разрешение на тясно свързани с тях проблеми. В тази глава ще разгледаме как теорията на струните за първи път недвусмислено показва, че има физически обстоятелства – различни от пространствените проходи и черните дупки, – при които тъканта на пространството може да се разкъса.