Наука Плоского мира. Книга 3. Часы Дарвина - Джек Коэн

Только эта теория осторожнее с ними обращается.

Мы обратились к статье Рафаэля Буссо и Джозефа Полчински «Ландшафт теории струн», опубликованной журналом «В мире науки» в спецвыпуске об Альберте Эйнштейне в сентябре 2004 года.

Если в основе современной физики и имеется хоть одна проблема, то она касается объединения квантовой механики с теорией относительности. Поиск «теории всего» необходим по той причине, что обе они хоть и превосходно помогают нам понимать и предсказывать различные аспекты естественного мира, но совершенно не согласуются между собой. Найти совместимую с ними, объединяющую теорию очень непросто, и пока нам это не удалось. Зато была одна математически любопытная попытка – теория струн, которая выглядит весьма заманчиво, но не подкреплена никакими данными наблюдений.

Теория струн опирается на то, что мы обычно считаем отдельными точками пространства-времени, не имеющими ни размерности, ни интересной структуры. На самом деле они представляют собой крошечные многомерные поверхности со сложными формами. В качестве простого примера приведем садовый шланг. Если смотреть на него издали, он кажется линией – одномерным пространством, где измерением является расстояние вдоль шланга. Взгляните поближе – и увидите, что у него есть еще два измерения, под прямыми углами к той, первой линии, а его форма в этих измерениях представляет собой круглую ленту.

Возможно, наша вселенная тоже напоминает какой-нибудь шланг. Пока мы видим ее с очень близкого расстояния и замечаем лишь три измерения пространства плюс одно измерение времени – это теория относительности. Физическая картина наблюдается лишь в этих измерениях, и ее явления изящно описываются четырьмя измерениями – снова теория относительности. Но иные явления могут происходить в дополнительных, «скрытых» измерениях – как, например, толщина шланга. Допустим, каждая точка видимого четырехмерного пространства-времени, которая кажется нам точкой, на самом деле является крошечным кругом, расположенным к самому пространству-времени под прямым углом. Этот круг мог бы совершать колебания. Тогда он походил бы на частицу согласно ее квантовому описанию. Частицы обладают различными «квантовыми числами», такими как спины. Это целые числа, представляющие собой множители некоторых основных величин. Так же и с колебаниями круга: он вмещает одну волну или две, или три… но никак не две с четвертью.

Вот почему это называют «теорией струн». Каждая точка пространства-времени заменяется крошечной струнной петлей.

Но для того чтобы поменять что-либо согласующееся с квантовой теорией, нельзя использовать просто округлую петлю. Квантовых чисел слишком много, и это далеко не единственная трудность, которую необходимо преодолеть. Предполагается, что вместо окружности нужно использовать более сложную форму с бóльшим числом измерений – «брану»[55]. Представьте ее в виде поверхности, но не совсем простой. Существует множество различных топологических типов поверхности: сфера, пончик, два слипшихся пончика, три пончика… Если измерений больше двух, это открывает много необычных возможностей.

Частицы соответствуют мелким замкнутым струнам, окольцовывающим брану. Есть куча разных способов обмотать пончик струной – можно продеть ее в дырку один, два, три раза… Законы физики зависят от формы бран и траекторий, по которым следуют эти петли.

Самая распространенная на сегодняшний день брана имеет шесть измерений – то есть в сумме их получается десять. Считается, что дополнительные измерения свернуты очень плотно и что они меньше планковской длины – размера, при котором вселенная приобретает зернистость. Из-за этой зернистости наблюдать столь малые объекты, по сути, невозможно, поскольку она смазывает изображение и не позволяет увидеть мелкие детали. Поэтому нечего и надеяться наблюдать дополнительные измерения напрямую. Тем не менее существует несколько способов сделать вывод об их существовании по косвенным признакам. Недавно открытое ускорение расширения вселенной на самом деле объясняется именно таким образом. Конечно, это объяснение может оказаться ошибочным: нужно больше доказательств.

Идеи на этот счет меняются чуть ли не каждый день, поэтому мы не должны привязываться к распространенной сегодня шестимерной системе. Мы можем рассматривать любое количество разных бран и вариантов их обмотки. Каждый вариант – назовем его петлевой браной – обладает определенной энергией, которая зависит от формы браны, от того, как она свернута и насколько плотно обмотана. Это «вакуумная энергия» из соответствующей физической теории. В квантовой механике вакуумом называют бурлящую массу частиц и античастиц, которые возникают и через мгновение сталкиваются, взаимно уничтожаясь. Вакуумная энергия показывает, насколько сильно они сталкиваются. С ее помощью мы сумеем определить, какая петлевая брана соответствует нашей вселенной, имеющей чрезвычайно низкую вакуумную энергию. До недавних пор она считалась нулевой, но сейчас оценивается в 1/120-плекс единиц, где единица равна отношению планковской массы к планковской длине – это примерно гугл граммов на кубический метр.

Теперь мы расскажем космическую сказку о трех медведях. Сильный папа-медведь предпочитает вакуумную энергию свыше +1/118-плекс единиц, но в таком случае пространство-время было бы подвержено местным расширениям, энергия которых была бы гораздо выше, чем при вспышке сверхновой звезды. Мягкой маме-медведице нравится вакуумная энергия, не превышающая −1/120-плекс единиц (обратите внимание на знак «−»), при которой пространство-время сожмется с космическим хрустом и исчезнет. Малыш-медвежонок и Маша любят такую вакуумную энергию, чтобы им было «как раз» – где-то в невероятно узком диапазоне между +1/118-плекс и −1/120-плекс единиц. Это зона Маши, и именно в ней жизнь может существовать в том виде, в котором мы ее знаем.

Мы не случайно живем во вселенной, вакуумная энергия которой лежит в пределах Машиной зоны – ведь мы и есть форма жизни, которую мы знаем. Если бы мы обитали в любой другой вселенной, то были бы неизвестной нам формой жизни. Такое могло бы случиться, но тогда мы не были бы собой.

Здесь наш старый друг, антропный принцип, применяется как совершенно приемлемый способ связать то, как мы устроены, с типом вселенной, которая нам для этого подходит. Спрашивать здесь на самом деле надо не «почему мы живем в такой вселенной?», а «почему такая вселенная, в которой мы живем, существует?». Это предмет спора о точной космологической подгонке. А невероятность того, что случайная вселенная окажется подходящей, часто вменяется в качестве доказательства. Так, люди говорят: «Мы не знаем, может быть, это создали инопланетяне», но сами думают: «Это Бог – он создал вселенную такой, чтобы она была нам как раз».

Сторонники теории струн оказались еще непреклоннее и придумали более вразумительный ответ.

В 2000 году Буссо и Полчински объединили теорию струн с более ранней идеей Стивена Вайнберга, чтобы объяснить, почему нам не стоит удивляться существованию вселенной с подходящим уровнем вакуумной энергии. Суть их рассуждений заключалась в том, что фазовое пространство возможных вселенных невероятно огромно. Даже больше, чем, скажем, 500-плекс. Эти 500-плекс вселенных распределяют свою вакуумную энергию в диапазоне от −1 до +1 единицы. Числа, получаемые в итоге, расположены гораздо плотнее, чем 1/118-плекс единиц, определяющих шкалу «приемлемого» диапазона вакуумной энергии, необходимой для известных нам форм жизни. Несмотря на то, что в диапазон попадает лишь крошечная часть этих 500-плекс вселенных, их все равно невероятно много – в данном случае около 382-плекс. Выходит, из фазового пространства в 500-плекс петлевых бран аж 382-плекс вселенных способны поддерживать наш тип жизни.