Часть 2. Теория струн. Темная энергия. Мультивселенная

Теория струн пытается ответить на другой вопрос, которым человечество задавалось на протяжении тысячелетий: из чего все сделано? Из каких элементов составлены все вещи в окружающем нас мире? Возьмите любой материал, например кусочек дерева. Расщепите его пополам, затем еще раз пополам, затем еще, деля материал до самых мелких частиц. Каким будет мельчайший неделимый ингредиент? Мы знаем, что если продолжать достаточно долго, то получатся молекулы. Если разделить и их, мы обнаружим атомы.

Мы также знаем, что сами атомы — не мельчайшие ингредиенты; они тоже могут быть расщеплены. Мы получим электроны, вращающиеся вокруг ядра, состоящего из нейтронов и протонов. Наконец, нейтроны и протоны тоже не будут мельчайшими ингредиентами. Они состоят из крошечных частиц, известных как кварки.

Кварки мы представляем себе как крошечные точки без всякой внутренней структуры — если угодно, без очередной матрешки внутри. Дальше материя не делится. Конец. Тупик. Это именно тот момент, когда требуются новые спорные, спекулятивные идеи.

Идея теории струн состоит как раз в том, что фундаментальные частицы могут оказаться не последней матрешкой. Даже самые маленькие частицы могут обладать еще более мелкой структурой, и математический анализ (который Грин опустил в связи с нехваткой времени) допускает, что внутри этих частиц могут находиться маленькие нити (филаменты), крошечные струны энергии. Отсюда и происходит название теории струн.

Похожие на струны нити могут вибрировать в разных последовательностях (паттернах), как струны скрипки или виолончели. Когда мы играем на виолончели, мы касаемся струн, чтобы извлечь ту или иную мелодию. Согласно теории струн, когда струна колеблется тем или иным образом, получаются те или иные частицы. Струна, вибрирующая одним образом, может быть электроном, другим — кварком, и так далее. Это и есть теория струн в двух словах.

Это лишь гипотетическая идея: у нас нет никаких доказательств истинности такой картины мира, оговорился Грин.

«Вам, может быть, интересно почему? Кажется, достаточно естественно проверить эту теорию, верно? Можно взять частицу и разрезать, и если мы увидим эту маленькую вибрирующую струну, наша теория верна».

Однако титаническая сложность такой экспериментальной проверки продиктована масштабами предмета исследования. Расчеты предполагают, что размер струн составляет 10⁻³⁵ м. Если взять один атом и увеличить его до размеров всей видимой Вселенной, в том же масштабе струна будет приблизительно размером с дерево. У человечества на данный момент просто нет технологий и оборудования для проверки такой идеи.

«Почему люди воодушевлены этими идеями — отдельная история, но если в двух словах, то теория струн способна объединить гравитацию и квантовую механику в одну устойчивую систему. Именно этого ученые пытаются добиться долгое время. Вот почему теорию струн воспринимают всерьез».

Филаменты. Кадр: YouTube

Теория струн тоже подводит к идее о множестве вселенных. Когда ученые изучали уравнения теории струн, выяснилось, что расчеты работают только при наличии у нашей Вселенной более трех измерений. Картинка атома, состоящего из крошечных нитей, полностью рушится, если у нас нет измерений кроме «вверх-вниз», «назад-вперед» и «влево-вправо». Если существуют только измерения, о которых нам известно из непосредственного опыта, теория струн не работает. Ученые, однако, обнаружили, что если допустить возможность, что доступные нашему опыту измерения не единственные и что существуют дополнительные пространственные измерения, тогда, при нужном количестве последних, а именно десяти, теория работает.

«Вы, конечно, можете сказать — ну, это прекрасные расчеты, но в реальности, очевидно, есть только вверх-вниз, назад-вперед, влево-вправо. Точка. Конец истории. Но на самом деле количество измерений пространства — экспериментальный вопрос, проблема наблюдения».

Если новые измерения пространства незаметны ни невооруженному глазу, ни современному оборудованию, то можно предполагать, что они могут быть спрятаны в самой ткани пространства, считает Грин.

«Они будут скручены в интересные геометрические фигуры, а струны будут вибрировать особым образом под воздействием формы дополнительных измерений».

Грин вспомнил, что когда он был студентом в 1980-х, его диссертация была посвящена вопросу, как может выглядеть Вселенная с учетом разных возможных форм дополнительных измерений (ученые тогда допускали лишь пять форм дополнительных измерений).

«Так что мы с коллегами брали первую форму из списка и проводили математический анализ, выясняя, как бы выглядела Вселенная, если бы дополнительные измерения, влияющие на вибрацию струн, были этой формы. Результаты не согласовывались с известным нам образом мира. Струны вибрировали, создавая иные частицы с иными свойствами, чем мы знаем».

Естественным желанием молодого ученого стало провести анализ следующей формы из списка. Но, обратившись к списку, Грин и его коллеги обнаружили, что тот уже значительно пополнился. Физики описывали все больше и больше гипотетических форм для гипотетических дополнительных измерений пространства. К 1990-м годам список вырос до тысячи возможных форм. Со временем тысячи стали миллионами. На стыке веков список, по словам Грина, «практически взрывался». На сегодняшний момент он вырос до 10⁵ сотен возможных форм дополнительных измерений.

«Шокирующе большое число. Оно многократно превышает количество частиц в видимой Вселенной. Что же делать с этой странной возможностью?»

Среди ученых на эту новость были распространены три типичные реакции, говорит Грин. Самая распространенная заключалась в том, чтобы сказать: «Мы не знаем, какая из возможных форм „правильная“. Мы никогда ничего не сможем подсчитать с этими 10⁵сотнями возможностей. Я бросаю теорию струн. Поработаю где-нибудь еще. Например, в симпатичном финансовом секторе на Уолл-стрит».

Вторые говорили: «Игра стоит свеч. Корпели над теорией 30 лет, сдюжим и еще. Надо продолжать. Может, найдем какое-нибудь уравнение, которое подскажет нам правильную форму для дополнительных измерений».

Но наиболее революционной была реакция третьей группы ученых. Они сказали: «Слушайте, может, нам следует отнестись серьезно к тому факту, что наши расчеты допускают столько форм дополнительных измерений? Может, это свидетельство того, что нет одной определенной формы для дополнительных измерений? Но, напротив, каждая фигура реальна в том смысле, что есть множество вселенных. Множество вселенных, каждая со своей собственной формой для дополнительных измерений. А наша лишь одна из них?».

После Хаббла все мы знаем, что Вселенная расширяется. Но мы думали, что расширение замедляется со временем. Все мы были уверены, что наблюдения за отдаленными галактиками покажут, что они разбегаются все медленнее и медленнее из-за силы притяжения. Но в 1990-х группа астрономов (Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт, Адам Рисс) опровергли эти представления. Все оказалось ровно наоборот: Вселенная не просто расширяется, но делает это с ускорением. Далекие галактики движутся все быстрее, быстрее и быстрее.

В 2011 году они получили Нобелевскую премию «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых». Космическое «топливо», отвечающее за ускоряющееся расширение, получило название темной энергии. Однако если пытаться выяснить, сколько именно темной энергии приходится на, скажем, каждый самый маленький участок пространства Вселенной, обнаружится нечто странное. Ее количество стремится к нулю и представляет крайне малое число: после десятичной точки следует сто двадцать два нуля и на конце вдруг число «138».

Объяснение этого числа — глубочайший из вопросов современной теоретической и наблюдательной физики. Никто не мог дать на него ответ.

Брайн Грин показывает число «138». Фото: Станислав Наранович / «Русская планета»

«Так и есть. Никто не в состоянии сделать этого, если они предполагают, что Вселенная только одна. Но если вы допускаете возможность других вселенных, к которой нас подвела инфляционная космология, описывающая множество больших взрывов, и, независимо от нее, идея теории струн о множестве разных форм дополнительных измерений, — тогда, само собой, вы придете к возможному объяснению этого странного числа».

Объяснение оказывается простым. Если было множество больших взрывов, которые дали начало множеству вселенных и в каждой вселенной теория струн предполагает разные формы дополнительных измерений, то тогда, следовательно, в каждой вселенной будет разное количество темной энергии: разные формы измерений, разные вибрации струн, разные свойства частиц. И по крайней мере в одной из этих вселенных будет именно такое же количество темной энергии, что и у нас, — просто в силу спектра статистических возможностей.

«Это как поход в магазин одежды. Вы выбираете куртку, продавец дает вам какую-то модель, она идеально подходит вам. Если бы в магазине продавался только один размер, вы бы удивились, что он именно тот, который подходит вам. Но как только вы узнаете, что в магазине есть много курток разных размеров и продавец просто подобрал ту, которая подходит вам, из всего спектра возможностей, — это уже перестает быть тайной, почему в магазине есть подходящий вам размер».

Подобно тому, как в магазине есть много курток разных размеров и одна — вашего, так и мы можем представить много вселенных, и из всего спектра возможных вселенных будет одна, соответствующая нашим параметрам.

Но если идея темной энергии верна, если Вселенная и вправду равномерно (хоть и в очень малых количествах) заполнена этим «топливом», расталкивающим галактики, и его количество не меняется со временем, то будущее нашего мира выглядит довольно мрачно.

С течением времени Вселенная будет расширяться быстрее и быстрее, галактики будут отдаляться дальше и дальше друг от друга. Вселенная будет все более разрозненной, диффузной и холодной. И уж точно условия в ней не будут сопутствовать поддержанию жизни в известных нам формах.

«Жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, и, возможно, даже в том, в каком не знаем, — временный феномен во Вселенной, который существует крошечную толику космического времени. Жизни не было в ранней Вселенной, затем она расцвела в нашем временном окне, а в далеком будущем условия будут не слишком гостеприимны для жизни и все, чего мы боимся, что беспокоит нас, что кажется жизненно важным и значительным, просто распадется на части».

Таковы выводы современной физики, основанной на экспериментально подтверждаемых идеях инфляционной модели и Большого взрыва, математических расчетах теории струн и гипотезе Мультивселенной. Можно ли подтвердить последнюю?

Теория предполагает возможность столкновения вселенных друг с другом. Исходя из математического анализа, если наша Вселенная столкнется с другой, это породит рябь, пульсацию (ripple-like patterns), своеобразное возмущение в космическом микроволновом фоновом излучении. Сейчас ученые ищут эти паттерны, которые свидетельствовали бы о столкновении вселенных.

«Если у нас когда-нибудь будет подтверждение возможности, что наша Вселенная лишь одна из многих, для меня это станет кульминационным моментом в истории мысли на планете Земля», — закончил Брайан Грин.

Дата добавления: 2014-01-04