Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Так мы убиваем сразу не двух, а трех «зайцев». Во-первых, мы можем объяснить, почему значение космологической постоянной у нас ненулевое. Во-вторых, если наши предсказания совпадут с наблюдениями (а так оно и выходит, пусть только статистически), теория вечной инфляции получает экспериментальное подтверждение. А это дорогого стоит, учитывая то, что речь идет о Мультиверсе, а не о булках и елках! И наконец, в-третьих, посредством теории инфляции мы переводим антропные аргументы из метафизических во вполне физические, в такие, на основе которых можно делать проверяемые в эксперименте предсказания.

Неужели Творцу, глядя на все это, и вправду доведется уйти на покой? Не уподобляться же Ему, в самом деле, пускающей мыльные пузыри обезьяне?

Последние пределы

Когда речь идет о предельных величинах и событиях, о самых последних пределах, теория самого большого требует согласования с теорией самого малого. Космология тогда ищет поддержки у теории элементарных частиц, а та, в свою очередь, использует результаты космологии. Согласованная теория всего — мечта физика: теория, одной математической структурой определяющая принципы всех физических явлений. В чем отличительные черты такого согласования? Это не только сложность и разнообразие параметров. Это в большей степени глубина и соединение несоединимого, выраженные с большим изяществом. Здесь трудно подобрать примеры…

Теория вечной инфляции открывает путь к прояснению проблемы космологической постоянной и тонкой настройки других фундаментальных констант. Но что же с физикой элементарных частиц?! Она по-прежнему предсказывает, что космологическая постоянная точно равна нулю. Вычисленные на основе так называемой Стандартной модели вклады в плотность энергии вакуума (между прочим, вычисленные на основании тончайших измерений фундаментальных констант) как будто сговорились компенсировать друг друга с высочайшей, порядка 1/10120 точностью!

Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель также предсказала наличие и свойства новых элементарных и субэлементарных частиц, которые все были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория. Но и у нее есть проблемы, причем касающиеся не только космологической постоянной.

Прежде всего, Стандартная модель слишком громоздкая. Мир не может так «вязнуть в зубах»! Модель включает в себя более 60 элементарных частиц — не слишком большой шаг вперед по сравнению с количеством элементов таблицы Менделеева. В модели 25 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны.

Далее, гравитация — важнейшее взаимодействие (правда, наиболее важное как раз в космологии) — остается за бортом модели. Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.

Большинство физиков ныне возлагают надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации — теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий и является самым многообещающим из всех кандидатов на роль универсальной теории. Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с так называемой планковской длиной (это размер, для которого становятся существенными разные диковинные квантовые эффекты, не подчиняющиеся обычным физическим законам). Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала, она составляет всего лишь 1,6 × 10–35 м (одну миллиардно-триллионно-триллионную долю сантиметра).

Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, ее нельзя построить без гравитации.

Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. До недавнего времени у ученых не было квантовой теории гравитации — то есть теории гравитации на уровне элементарных частиц. Не было даже намеков на сколько-нибудь вразумительную форму такой теории. Эта проблема связана с квантовыми флуктуациями самой геометрии пространства-времени. Ниже некоторого критического размера, который как раз и есть наша планковская длина, пространство-время теряет гладкость и непрерывность, а главное — точную определенность и превращается в хаотическую, пенообразную структуру. Это так называемая пространственно-временная пена.

Пространство неистово закручивается и сминается, крошечные «пузырьки» отрываются от него и немедленно коллапсируют, возникает и мгновенно исчезает множество «ручек» или «туннелей». Практически в любых сколько-нибудь больших масштабах пространство выглядит гладким и пространственно-временная пена просто незаметна.

В теории струн крошечные струнные колечки не изменяются в размерах; они невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.

В струнной теории нет произвольных, подстраиваемых параметров, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна.

Теория жестко фиксирует даже количество измерений пространства: она требует, чтобы пространство имело целых 9 измерений. Это звучит довольно странно: почему мы вообще должны рассматривать теорию, которая находится в столь вопиющем противоречии с нашей трехмерной реальностью? Противоречие это можно, однако, обойти, если считать, что 6 лишних измерений свернуты или, как говорят физики, компактифицированы. Представим себе соломинку для коктейля. Она имеет одно открытое изменение — это ее длина. То, что на самом деле у нее есть и другое изменение, почти не видно — оно как бы скручено, свернуто.

Теоретики надеялись, что в итоге теория приведет к единственной компактификации, которая описывает наш мир, и мы получим наконец объяснение наблюдаемых значений всех параметров элементарных частиц. Но дело поворачивалось по-другому: теория, как выяснилось, допускает тысячи различных компактификаций.

Дальше — больше! По мере того как улучшалось понимание математики теории струн, становилось ясно, что вдобавок к одномерным струнам теория должна включать двумерные мембраны, а также их многомерные аналоги. Все эти новые объекты назвали собирательно бранами. Маленькие вибрирующие браны должны выглядеть как частицы, но они слишком массивны, чтобы рождаться на ускорителях. С бранами связан один неприятный эффект: они радикально увеличивают количество способов, которыми можно конструировать новые виды вакуума. Брана может, как резиновая лента, накручиваться на некоторые компактные измерения. Каждая стабильная конфигурация браны дает новый тип вакуума. Можно накрутить одну, две и более бран на каждую ручку компактного пространства, и при большом количестве ручек число вариантов становится просто чудовищным. В уравнениях теории нет подстроечных констант, но их решения, описывающие различные состояния вакуума, характеризуются сотнями параметров: размерами компактных измерений, расположением бран и т. п. Поведение вакуума в зависимости от этих параметров называют ландшафтом теории струн.

Если у нас есть два параметра, можно представить ландшафт двумерным. Не путайте, пожалуйста, с измерениями пространства! Это не пространство, это представление различных состояний. «Пики» не относятся к вакууму. А вот «впадины» — это как раз состояния истинного вакуума. То, насколько высоко или низко расположена «впадина», представляет вакуум с соответствующей плотностью энергии — то есть с определенным значением космологической постоянной.

В действительности энергетический ландшафт теории струн гораздо более сложен! Чтобы учесть все параметры, нужно пространство с несколькими сотнями измерений. Грубые оценки показывают, что ландшафт включает в себя около 10500 различных вакуумов (опять гуголплексное число, да еще какое!). Его нельзя изобразить. Но существует не только наглядное изображение — ландшафт можно анализировать математическими методами. Одни вакуумы похожи на наш, другие имеют совершенно иные значения фундаментальных постоянных. Есть и такие вакуумы, которые поддерживают абсолютно другие частицы и взаимодействия или/и имеют свыше трех больших (то есть не свернутых, некомпактифицированных) измерений.