Каждый день – новый бублик

Недавно один из нас двоих, менее склонный к математике, стоял в зале теоретической группы лаборатории Джефферсона в Гарварде, ожидая возможности поговорить с Эндрю Строминджером, который был занят оживленной беседой с коллегой. Через несколько минут Кумрун Вафа выскочил из офиса, и Строминджер, извинившись за задержку, пояснил, что «у Кумруна была новая идея, связанная с пространствами Калаби‑Яу, которая не могла ждать». После короткой паузы он добавил: «Кажется, я слышу новые идеи о Калаби‑Яу почти каждый день».[296]

Подумав, Строминджер снизил планку до «новой идеи каждую неделю». Последние несколько лет, что согласуется с замечанием Строминджера, новые научные статьи с термином «Калаби‑Яу» в названии появляются чаще одного раза в неделю – и это только на английском языке. Эти многообразия – не только реликты первой струнной революции или математические курьезы, имеющие лишь исторический смысл. Они живы и здоровы и, если не живут в Париже, то, по крайней мере, до сих пор занимают достойное место в архивах математики и теоретической физики.

Это неплохо, учитывая, что в конце 1980‑х годов многие физики считали, что пространства Калаби‑Яу повторят судьбу динозавров и что их судьба решена. Даже такие энтузиасты Калаби‑Яу, как я, занимавшиеся математикой гораздо больше, чем наш дуэт, часто заявляли, что мы говорили чепуху. В ту эпоху Филипп Канделас сделал неудачный обзор для заявки на грант, что существенно снизило его финансирование. Сокращение произошло по той простой причине, что он все еще занимался исследованиями пространства Калаби‑Яу. Физик, преподававший тогда в Гарвардском университете, высказался в еще более жестких терминах, которые считались «языком прошлого»: «Почему вы, идиоты, все еще работаете над этой глупой теорией?» Я был озадачен этим вопросом, а спустя два десятилетия сосредоточенного обдумывания, кажется, нашел адекватный ответ: «Ну, может быть, это не так глупо, в конце концов».

Строминджер, например, так не считает, но опять же, пространства Калаби‑Яу занимают значительное место в его карьере. На самом деле вполне возможно, что он сделал больше, чем кто‑либо другой, для установления роли этого класса пространств в физике. «Это удивительно, что пространства Калаби‑Яу, тем не менее, сохранили свою центральную роль в физике, – говорит он. – Они продолжают появляться снова и снова, а история с черной дырой только один из примеров». Другой пример связан с новой стратегией реализации Стандартной модели в восьмимерных (а не шестимерных ) многообразиях Калаби‑Яу, где форма двух дополнительных измерений определяется константами связи струн, как обсуждалось в недавних статьях Вафой, Крисом Беслеем, Джонатаном Хекманом и отдельно Роном Донаги и Мартином Вийнхольтом.[297]

«Не часто можно встретить идею, которая занимает центральное место в науке так долго, – добавляет Строминджер, имея в виду стабильное господство Калаби‑Яу в теории струн. – И это не потому, что идея просто слоняется поблизости, как память прошлого. Это не просто кучка чудаковатых, старомодных физиков из восьмидесятых годов вспоминает старые добрые времена. Идея продолжает жить, давать новые побеги и новые почки».[298]

Вафа, его коллега, соглашается: «Если вы интересуетесь четырехмерными калибровочными теориями, то вы можете решить, что они не имеют ничего общего с многообразиями Калаби‑Яу. Но они не только имеют отношение к многообразиям Калаби‑Яу, но и связаны с трехмерными Калаби‑Яу, которые представляют наибольший интерес для теории струн. Аналогично, вы можете подумать, что теория римановых поверхностей не имеет ничего общего с трехмерными Калаби‑Яу, но изучение римановых поверхностей в контексте трехмерных многообразий Калаби‑Яу оказывается ключом к их пониманию».[299]

А еще нельзя не упомянуть Эдварда Виттена, физика, которого иногда называют преемником Эйнштейна (и если теория струн когда‑нибудь докажет свою правоту, то это сравнение окажется пророческим). Виттен имел, что вполне обоснованно, близкие отношения с пространствами Калаби‑Яу, а также с теорией струн в целом, где он внес весомый вклад в две первые струнные «революции». Если и когда что‑то происходит в мире физики, то, вероятно, можно найти в этом «руку» (или ногу) Виттена. Ибо, как однажды сказал Брайан Грин: «Если бы я мог проследить интеллектуальные корни всего, над чем я когда‑либо работал, то я считаю их ногами Виттена».[300]

Во время встречи со Строминджером в Принстоне Виттен задумчиво сказал: «Кто бы мог подумать двадцать с лишним лет назад, что заниматься теорией струн с многообразиями Калаби‑Яу окажется так интересно?» И продолжил: «Чем глубже мы копаем, тем больше мы узнаем, потому что многообразия Калаби‑Яу – это богатые и занимающие центральное положение [в теории] конструкции». Виттен считает, что почти каждый раз, когда мы по‑новому смотрели на теорию струн, эти многообразия помогали нам, обеспечивая основные примеры.[301]

Действительно, почти все основные расчеты в теории струн сделаны на многообразиях Калаби‑Яу просто потому, что мы знаем, как выполнять вычисления на этом пространстве. Благодаря «теореме Калаби‑Яу», которая возникла из доказательства гипотезы Калаби, считает математик Дэвид Моррисон из Калифорнийского университета в Санта‑Барбаре: «У нас есть методы из алгебраической геометрии, которые, в принципе, позволяют нам изучать и анализировать все многообразия Калаби‑Яу. У нас нет таких же сильных методов, чтобы справиться с не‑кэлеровыми многообразиями или семимерными многообразиями G₂, которые играют важную роль в М‑теории. В результате большей части своих успехов мы обязаны многообразиям Калаби‑Яу, поскольку у нас есть инструменты для их изучения, которых у нас нет для других видов решений».[302]В этом смысле многообразия Калаби‑Яу явились для нас своего рода лабораторией для экспериментов или, по крайней мере, для обдумывания экспериментов, которые помогают нам в изучении теории струн и, надеюсь, Вселенной в целом.

«Тот факт, что мы начали думать о Калаби‑Яу как о математических объектах раньше, чем отвели для них значимую роль в физике, свидетельствует о силе человеческого разума, – отмечает стэндфордский математик Рави Вакил. – Мы не навязываем Калаби‑Яу природе, но, похоже, природа навязывает их нам».[303]

Это не означает, однако, что пространства Калаби‑Яу обязательно являются последним словом в науке или что мы даже живем в таком пространстве. Изучение этих многообразий позволило физикам и математикам узнать много интересного и неожиданного, но эти пространства не в состоянии объяснить все и не могут привести нас туда, куда мы предположительно хотели бы прийти. Хотя пространства Калаби‑Яу не могут быть конечным пунктом назначения, они вполне могут быть «ступенями к новому уровню понимания», – говорит Строминджер.[304]

Говоря как математик, а я полагаю, что только так и могу говорить (с любой властью), я могу сказать, что полного понимания пространства Калаби‑Яу пока не существует. И у меня есть сомнения в том, сможем ли мы когда‑нибудь узнать все, что нам необходимо знать о таких пространствах. Одна из причин моего скептицизма связана с тем фактом, что одномерное Калаби‑Яу называется эллиптической кривой, а эти кривые, представляющие собой решения кубического уравнения, в котором по крайней мере некоторые члены возведены в третью степень, являются загадочными объектами в математике. Кубические уравнения очаровывают математиков на протяжении веков. Хотя уравнения имеют простую форму (например, y² = x³ + ах + b ), знакомую каждому из курса алгебры старших классов школы, их решения скрывают в себе много глубоких тайн, которые могут завести практиков в отдаленные уголки математики. Знаменитое доказательство великой теоремы Ферма Эндрю Уайлса, например, вращается вокруг понимания эллиптических кривых. Однако несмотря на блестящую работу Уайлса, существует много нерешенных проблем, связанных с такими кривыми и, что эквивалентно, с одномерными Калаби‑Яу, для которых пока не видно решения в поле зрения.

У нас есть основания полагать, что обобщения эллиптических кривых на более высокие размерности, из которых трехмерное пространство Калаби‑Яу представляет собой только один из вариантов, можно использовать для решения серьезных загадок в математике, поскольку мы часто узнаем что‑то новое, помещая особые случаи, такие как эллиптические кривые, в более общие, многомерные (любой размерности) пространства. На этом фронте изучение двухмерных пространств Калаби‑Яу, то есть комплексных поверхностей K3, уже помогло ответить на некоторые вопросы теории чисел.

Но эта работа только начинается, и мы понятия не имеем, куда она нас заведет. На данном этапе было бы справедливым сказать, что мы едва поцарапали поверхность, неважно, является ли она поверхностью K3 или другой разновидностью Калаби‑Яу. Вот почему я считаю, что глубокое понимание этих пространств может оказаться невозможным, пока мы не поймем значительную часть математики, которая охватывает геометрию, теорию чисел и анализ.

Кто‑то может считать это плохой новостью, но я вижу в этом только хорошее. Это означает, что многообразия Калаби‑Яу, как и сама математика, совершенствуются, идя дорогой, которая, несомненно, имеет много изгибов и поворотов. Это значит, что впереди еще много нового, что нам предстоит узнать и сделать. И тем из нас, кто боится остаться без работы, без любимого занятия и даже без научных сюрпризов, не о чем беспокоиться: в ближайшие годы такой проблемы не возникнет.

Послесловие