Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Идея Калуцы и Клейна пребывала в спячке долгие годы, пока супергравитация не вернула ее к жизни, обогатив пространство-время семью новыми измерениями, находящимися в свернутом состоянии. Могут ли эти дополнительные измерения описать сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия? На первый взгляд, теория супергравитации выглядела весьма многообещающе, но и в ней нашлись изъяны. Во-первых, с помощью 11-мерной супергравитации трудно понять, как кварки и электроны соотносятся со слабым ядерным взаимодействием. Еще более серьезной оказалась проблема, разрушающая все попытки примирить гравитацию и квантовую теорию поля: когда мы используем уравнения супергравитации для вычисления некоторых процессов, результат обращается в бесконечность.

Как альтернатива возникла теория суперструн, в которой строительными кирпичиками материи являются не точечные частицы, а одномерные струны, живущие в пространстве десяти измерений. Подобно скрипичным струнам, они могут колебаться по-разному, и разные режимы колебания представляют собой различные элементарные частицы. Некоторые колебания струн могут описывать гравитоны, которые являются гипотетическими переносчиками гравитационного взаимодействия.

Все это выглядело как мечта физика-теоретика. В отличие от 11-мерной супергравитации, появилась возможность успешно вести дела со слабым взаимодействием. Кроме того, теория суперструн становится очень похожа на общую теорию относительности, если принять, что энергия гравитона достаточно мала. Но самое главное заключалось в том, что все бесконечности и аномалии, досаждавшие ученым в их прежних попытках применить квантовую теорию поля к общей теории относительности, перестали отравлять им жизнь. Казалось, это был надежный путь к объединению гравитации с квантовой механикой.

Однако после первой эйфории вновь начали закрадываться сомнения. Начнем с того, что существует не одна, а целых пять математически непротиворечивых теорий суперструн, и каждая претендует на звание теории всего. Теория суперсимметрии говорит, что Вселенная имеет максимум одиннадцать измерений, в то время как из уравнений теории суперструн следует, что их должно быть десять. И почему мы должны останавливаться на одномерных струнах? Почему не рассмотреть двумерные мембраны, которые могут принимать форму простыни или сводиться к поверхности пузыря?

Ответ – нет. А может быть, и да.

Космические струны – это гипотетические дефекты в пространстве-времени, которые проявляются в виде линий концентрированной энергии длиной в миллиарды световых лет, настолько плотные, что отрезок длиной в 1 метр весит столько же, сколько целый континент. В отличие от них, суперструны имеют размер 10 –35метров, а масса их сравнима с массой элементарных частиц, с которыми мы имеем дело в настоящий момент.

У нас нет доказательств существования космических струн, но некоторые космологи думают, что они могли сформироваться, когда остывала очень молодая Вселенная и квантовый вакуум проходил через серию фазовых превращений, сходных с таянием льда. Никакие суперструны были там не нужны. Но космические струны могли образоваться и другим путем, если быстрое расширение пространства в эпоху инфляции было способно захватить первозданные суперструны и растянуть их до космических пропорций.

Выяснилось, что суперсимметрия и мембраны хорошо сочетаются друг с другом. Вычисления, проведенные в 1987 году, показали, что «супермембраны» могут существовать в 11-мерном пространстве-времени, которое следует из теории супергравитации. Долгие годы существовало два лагеря: «струнники» с их 10-мерной теорией и «мембранники», работающие в одиннадцати измерениях.

Все это собралось вместе в 1995 году под одним зонтиком, названным M-теорией, которая была разработана Эдвардом Виттеном в Институте перспективных исследований в Принстоне. По его словам, буква «М» означает либо магию, либо мистерию, либо мембрану – выбирайте себе по вкусу. Виттен показал, что пять разных теорий струн и супергравитация по сути являются различными гранями M-теории (см. также главу 5).

M-теория с ее мембранами смогла сделать то, что было не под силу сделать струнам. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут излучать энергию благодаря квантовым эффектам. А это означало, что они имеют температуру, а также обладают таким термодинамическим свойством, как энтропия, которая является мерой дезорганизации системы. Хокинг установил, что энтропия черной дыры зависит от площади поверхности ее горизонта событий. Казалось, что ее энтропию можно определить, учитывая все квантовые состояния частиц, из которых состоит черная дыра, но все попытки такого описания черной дыры потерпели неудачу. И тут на сцене появилась M-теория, в точности воспроизводя формулу энтропии Хокинга.

В 1998 году аргентинский физик Хуан Малдасена показал, что все события, происходящие внутри Вселенной, можно описать в M-теории с помощью взаимодействия частиц на ее границе. Этот «голографический принцип» может означать, что мы – всего лишь тени на границе Вселенной большего числа измерений.

Конкретный способ, с помощью которого скручены дополнительные измерения, диктуется внешним видом нашего четырехмерного мира, включая количество поколений кварков и лептонов, существующие силы и массы элементарных частиц. Сложность применения M-теории заключается в том, что существует много (возможно, бесконечно много) способов скручивания этих дополнительных измерений, что приводит к возникновению огромного количества возможных вселенных. Некоторые из них могут быть подобны нашей Вселенной, с тремя поколениями кварков и лептонов и четырьмя видами взаимодействий; многие будут выглядеть совсем по-другому. Но с теоретической точки зрения все они вполне вероятны. Таким образом, может существовать множество вселенных, в которых действуют разные физические законы, и в одной из таких вселенных посчастливилось жить нам с вами.

Можно ли назвать M-теорию окончательной «теорией всего»? Проверить это предположение трудно. Некоторые характерные особенности, такие как суперсимметрия или наличие дополнительных измерений, могут быть выявлены в экспериментах на ускорителях или с помощью астрофизических наблюдений, но в целом огромное разнообразие возможностей, предлагаемых мультивселенной, очень сильно затрудняет точные предсказания. Являются ли все законы природы, с которыми мы имеем дело, следствием фундаментальной теории или некоторые из них могли возникнуть по чистой случайности? Это вопросы первостепенной важности, и они могут еще долго оставаться без ответа. Поиски теории всего, по-видимому, являются наиболее амбициозной задачей, предпринятой учеными за все время существования науки. Никто еще не говорил, что нам будет легко на этом пути.