Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Теория струн началась со сверхмалых — «планковских» — масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10 -33см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Так, в последние годы возникли идеи о том, что некоторые дополнительные измерения могут быть очень даже масштабными и даже стремиться в бесконечность. Конечно, мы не можем их воспринять по той простой причине, что сами заключены в трехмерном мире, который может входить как отдельная гиперповерхность во Вселенную с большим числом измерений.

Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Это, конечно, дело экспериментов отдаленного будущего. Хотя и сейчас есть идеи, что новые опыты по рассеянию элементарных частиц на сверхмощных ускорителях, подобных Большому адронному коллайдеру, могут привести к открытию «свернутых пружинок» новых параметров нашего мира. Да и сверхбольшие дополнительные измерения по идее должны приводить к очень интересным эффектам ( рис. 19цв. вкл.).

Теория струн предлагает и оригинальные космологические сценарии эволюции нашего мира, согласно которым Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего мира. Конечно, тут за скобками остается очень интересный вопрос о том, что предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке — зародыше нашей Вселенной. Следующий вопрос состоит в характере непосредственного влияния микро-, мезо-, макро- и мегасуперструн на эволюцию Вселенной, а также изменения при этом их физических характеристик.

Гипотезу мегасуперструн можно привлечь и для объяснения одной из главных загадок нашего Мироздания — перехода равномерного расширения Вселенной в ускоренное около восьми миллиардов лет назад. Может быть, в те невообразимо далекие времена что-то поменялось в характере взаимодействия суперструн с таинственной темной материей и с не менее загадочной темной энергией? Ведь, если квантовые стринги существуют, они так или иначе должны входить в контакт с основным «темным» содержимым Метагалактики.

Схема гравитационного линзирования

Космические струны могут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть на новых сверхчувствительных детекторах гравитационных волн.

За свое полувековое существование суперструнная теория испытала много взлетов и падений. Неукротимое желание узнать, как устроена Природа на самых нижних этажах Мироздания, привело к тому, что в начале нашего века от нее отделилось новое направление, которое вскоре уже стало основным, — теория многомерных квантовых мембран (М-теория). Сейчас среди «наимоднейших» умозрительных построений М-теория занимает видное место, исследуя, по сути, те же струны, но в «плоской» модификации. Один из авторов «мембранного подхода», профессор Хуан Малдасена, как-то заметил, что мембраны отличаются от струн примерно так же, как лепешки от макарон.

Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Это единство очень привлекательно, и работа над построением полной квантовой М-теории интенсивно продолжается. Все же, несмотря на оптимистичные прогнозы, звучащие на «суперструнных» конференциях, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран — это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

В настоящей науке категорически запрещается строить проверку гипотез с помощью еще одних гипотез. К сожалению, теория квантовых стрингов здесь выглядит явным и очень неприятным исключением. Действительно, что прикажете делать молодым, рвущимся в бой физикам, если в окружающей реальности ни стринги, ни мембраны, не говоря уже о шрёдингеровских полуживых квантовых котах, ну никак себя не проявляют! И здесь в очередной раз палочкой-выручалочкой выступают одни из самых загадочных небесных тел нашей Метагалактики — черные дыры застывших звезд-коллапсаров ( рис. 20цв. вкл.).

Эти очень странные объекты буквально не сходят со страниц газет и журналов. Однако надо сразу же указать на одну большую нелепость, кочующую уже очень давно по средствам массовой информации. Черные дыры, как и кварки, не говоря уже о квантовых стрингах, — это гипотетические объекты. Таким образом, термин «коллапсар» без приставки «кандидат в» пока еще является грубым допущением или ошибкой, в зависимости от личного отношения к малопроверенным фактам. Разумеется, весь научный мир с восторгом воспримет достоверное сообщение о прямом наблюдении этих удивительнейших объектов и наверняка окажет авторам их реального открытия разные почести… но только после того, как….

Итак, не найдя ничего лучшего, обратимся к гипотетическим и очень парадоксальным замерзшим звездам. Коллапсары действительно могли бы стать вполне подходящими космическими лабораториями по изучению струнных (и не только!) теорий, поскольку эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр. Вообще говоря, сколлапсировавшие объекты теоретически должны быть вполне наблюдаемы в межзвездной среде, испуская тепловое излучение со своей мнимой поверхности, называемой горизонтом. Так как струнная теория, помимо всего прочего, еще и тесно связана с теорией квантовой гравитации, она по идее должна хорошо описывать состояние черных дыр. Итак, дело за малым — надо найти (открыть!) подходящую черную дыру, послать к ней флотилию космических исследовательских зондов и зафиксировать проявление квантовых струн и мембран. Просто и ясно!