Роберт Сойер - Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Есть три возможных объяснения, я сосредоточусь на первом из них. Этот вариант состоит в том, что пространство заполнено некой космологической постоянной и энергией, которая постоянна во времени. Моя задача – предложить объяснение глубокой тайны этой космологической постоянной или темной энергии – эти термины у меня взаимозаменяемы. Есть одно загадочное обстоятельство: результаты стандартных вычислений драматически отличаются от результатов наблюдений.

Посмотрим на количественную величину этой разницы. На экране вы видите выраженное в естественных единицах количество темной энергии на единицу объема, необходимое для объяснения наблюдений. Когда мы, теоретики, видим такое число, у нас душа уходит в пятки. В наших теориях и уравнениях таких величин не встречается – мы привыкли работать с величинами 1, 1/ 2, е , π, √2 и подобными им.

Как быть с теорией, где начав с таких величин, мы приходим к числу, показанному на экране? Эта тайна побудила многих людей предложить возможные варианты. Единого решения, с которым бы все согласились, пока не нашлось. В отведенное мне здесь время я постараюсь объяснить одно из возможных решений. Многие считают его наиболее радикальным из всех возможных, и вероятно, это означает, что оно неверно.

Но это не страшно. Красота науки в том, что вы выдвигаете теории, основанные на строгих математических рассуждениях и идеях, предъявляете их миру и позволяете данным, свидетельствам и наблюдениям рассудить, что верно и что неверно. На текущий момент у нас нет достаточного количества точных данных, чтобы получить ответ из наблюдений, так что мы продолжим теоретизировать и посмотрим, куда это нас приведет, а приведет это нас к довольно странным вещам.

Фактически, это приведет нас к понятию, что наша вселенная может быть – и я подчеркиваю слово «может» – одной из многих вселенных. Мы можем быть частью множества вселенных – мультивселенной – и это определенно непривычная, странная идея. Она удивительна, потому что большинство привыкло думать, что вселенная – это все, что есть. Но вот другая точка зрения. Здесь в первом ряду сидит моя дочка. Сейчас ей восемь, но когда ей было три с половиной, она уже слышала про эти идеи. Однажды я держал ее на руках и сказал ей: «София, я люблю тебя больше всех во вселенной». И эта маленькая девочка повернулась ко мне и спросила: «Папа, во вселенной или в мультивселенной?»

Как бы там ни было, вопрос в том, откуда взялась идея мультивселенной и каково ее теоретическое обоснование.

Я расскажу о подходе, называемом теорией струн, из которого естественным образом следует эта возможность. Отметьте, пожалуйста: я не говорю, что эти идеи верны – никто не должен верить ни в какие идеи, пока они не подтверждены наблюдением или экспериментом. Но я надеюсь убедить вас, что есть веские теоретические причины принимать мультивселенную всерьез.

Теория струн появилась десятилетия назад при попытке соединить теорию гравитации Эйнштейна, то есть общую теорию относительности, и квантовую физику. Объединить их трудно, но теория струн позволяет делать это по крайней мере на бумаге.

Что ж, главная идея такова. Вы берете любой обычный фрагмент вещества, скажем, яблоко, и изучаете его. При очень-очень высоком разрешении вы находите молекулы и атомы, электроны, вращающиеся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Далее вы видите, что протоны и нейтроны состоят из кварков. И на этом традиционные идеи заканчиваются. Идея теории струн в том, что глубже есть что-то еще. И это – маленькая, крошечная, вибрирующая нить энергии. Различные колебания этой струны создают различные виды известных нам частиц – электроны, кварки, нейтрино. Все эти частицы – всего лишь различные типы вибраций гипотетической сущности, называемой струной. На бумаге это привлекательная идея, потому что она соединяет гравитацию и квантовую механику. Никакого экспериментального подтверждения эта идея пока не имеет, по той причине, что струны очень маленькие. Ну, вот и все.

Их очень трудно увидеть. Согласно обычным для этой теории оценкам, струны имеют сечение размером 10–35 метра. Это далеко за пределами возможностей Большого адронного коллайдера.

Так что теория струн – это теоретическая основа, не подтвержденная наблюдениями. Красота идеи в том, что вся физика, которую мы наблюдаем, происходит от различных типов вибрации струн. Если же углубиться в математическое представление этой теории, появляется еще один странный и неожиданный вывод. Уравнения не работают, если в нашей вселенной только три пространственных измерения. Нужно больше измерений в пространстве, чем влево/вправо, вперед/назад и вверх/вниз.

Как это может быть? Дело в том, что другие измерения, которых требует математика теории струн, могут быть втиснуты в очень маленький размер, настолько маленький, что мы не видим их. Представьте садовый шланг. Издалека он выглядит, как линия. С близкого же расстояния видно, что вокруг нее обернут дополнительный элемент. Издалека вы его не видите, потому что он слишком маленький.

Эта идея, возможно, применима к теории струн. Позвольте показать вам наглядно.

Все мы знаем про обычные три измерения – вверх – вниз, влево – вправо, вперед – назад, но если пойти глубже в ткань пространства, можно найти дополнительные свернутые измерения. Они известны как многообразия Калаби – Яу, Риччи-плоские многообразия, Кэлеровы многообразия, комплексные Кэлеровы многообразия первого класса Черна. Но не беспокойтесь о технических деталях.

Как видно, струны настолько малы, что могут вибрировать в этих дополнительных измерениях. Посмотрите, как переплетения и складки в этих измерениях влияют на вибрацию струн. Это чрезвычайно важно, потому что в теории струн от вибрации зависят физические свойства, которые мы наблюдаем – масса частиц, сила взаимодействий, даже количество темной энергии. Так что, если бы мы в точности знали, как выглядят другие измерения, то могли рассчитать, скажем, количество темной энергии.

Что можно извлечь из этого понимания? Нужно постараться внимательно рассмотреть эти дополнительные измерения и рассчитать результирующие физические свойства, а затем сравнить их с наблюдениями.

В 1980-х, когда я был старшекурсником, было известно только пять форм, которые удовлетворяли уравнениям теории струн. В моей диссертации я взял один из этих вариантов, произвел необходимые вычисления, сделал физические предсказания. Затем мы сравнили их с наблюдениями и выяснилось, что это не работает. Расчетные физические свойства не совпадали с наблюдениями. Тогда мы сказали: «Давайте посмотрим на другую форму, возможно, предсказания по ней совпадут с наблюдениями». Однако к тому моменту список найденных вариантов вырос до нескольких тысяч. Впрочем, несколько тысяч было бы еще не страшно, должны же старшекурсники что-нибудь делать.