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

Стринги и браны

Образ вибрирующей струны или мембраны как основы всех элементарных частиц довольно ясен, несмотря на сложный математический аппарат. Разумеется, необходимо всегда помнить о глубокой условности всех образов суперструнных моделей М-теории.

С помощью суперструн надеются найти ответы на мучающие их вопросы и космологи. Долгое время в популярных статьях, книгах и учебниках, рассказывающих о разных сценариях рождения нашего мира, подчеркивалось, что Вселенная возникла из космологический сингулярности — состояния с бесконечными физическими параметрами, а следовательно, не имеющего физического смысла. Спрашивать о том, что такое сингулярность Большого взрыва и что было до нее, считалось совершенно неприличным, даже чем-то говорящим о малообразованности спрашивающего… Когда я школьником прочитал нечто подобное, то, помнится, был весьма озадачен, поскольку тут же буквально на каждой странице утверждалось, что для науки нет нерешаемых вопросов…. И вот для пытливых и любознательных настали счастливые времена, когда мы наконец можем заглянуть за «железный занавес» сингулярности Большого взрыва.

Временная шкала, непосредственно примыкающая к некой условной точке «0» начала отсчета времени существования нашей реальности, полна загадочных событий. Стремящиеся в бесконечность плотности материи и энергии пока еще не могут быть описаны современной физикой. Тем поразительнее, что теория суперструн берет на себя немыслимую смелость моделировать не только сам момент Большого взрыва, но и предшествующее развитие событий. Существуют даже две модели, описывающие досингулярное состояние нашего мира. Одна из них основывается на известной симметрии обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. По такому космологическому сценарию Вселенная в определенный промежуток времени до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через подобный же интервал после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним оно ускорялось. Так Большой взрыв предстает не моментом возникновения Мироздания, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.

В ином варианте точка космологической сингулярности Большого взрыва предстает подобием центра симметрии, относительно которого Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если правы космологи, считающие, что расширение пространства-времени будет продолжаться неопределенно долго, до тех пор, пока вся материя не превратится в разряженный атомарный газ, то Вселенная так же бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный газ, содержащий в себе излучения и пылевидное вещество. Силы взаимодействия между частицами этого газа практически не существовали, однако с течением времени силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайные неоднородности первичного вещества вызывали эффект гравитационного «снежного кома», приводя к скапливанию протовещества, с последующим ростом плотности до критического значения начала гравитационного коллапса. Так начали образовываться первичные черные дыры.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр — не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. В момент такого поворота и возникает сингулярность космического катаклизма Большого взрыва. Получается, что если следовать такому суперструнному космологическому сценарию, то наш мир — это бывшая внутренность одной из страшных черных дыр.

Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, некоторые физики вполне обоснованно замечают, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теории квантовых мембран. Но их оппоненты возражают, что поскольку уравнения М-теории не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр, то формирование Вселенной внутри достаточно большого коллапсара является случайным событием. Если же считать, что характер поведения материи и самого пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва был хаотическим, то в таком хаосе вполне мог возникнуть достаточно плотный газ «мембранных протомикроколлапсаров» в виде сверхмикроскопических массивных мембран, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблем загадочной сингулярности и не менее таинственного первичного расширения пространства-времени в стандартной космологии Большого взрыва.

Другой популярный в научных кругах физиков-теоретиков космологический суперструнный сценарий носит название экпиротического (от греч. ekpyrotic — пришедший из огня). В нем предлагается модель досингулярной Вселенной как одной из мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. При столкновении таких мембран происходит множество прообразов нашего Большого взрыва, рождающих новые миры. Экпиротический сценарий имеет и циклический вариант, когда мембраны, сталкиваясь, отскакивают друг от друга и расходятся, затем снова притягиваются и соударяются, снова расходятся, — и так практически до бесконечности. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной может свидетельствовать о грядущем грандиозном катаклизме мембранного столкновения.

Сейчас уже можно сказать, что одной из главных проблем космологической теории квантовых суперструн является то, что она не может предсказать, какая именно Вселенная реализуется в реальности после тех же множественных столкновений мембран. Некоторые физики-теоретики настойчиво обращают внимание на то, что теория космических суперструн настолько неопределенна, что из ее различных вариантов можно получить любое конечное состояние нашего мира. Космологи комментируют этот парадокс с помощью своеобразного «научного заклинания»: «ландшафт суперсимметричных мембран качественно мультивариантен». Вообще говоря, это очень простая в переводе на «человеческий» язык фраза: любая теоретическая придумка найдет себе место в теории стрингов. А в «высокоинтеллектуальном» смысле это означает, что теория имеет критический уровень научной спекулятивности и ее вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно объяснить какой-нибудь модификацией суперструнной модели.