Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Подобным образом можно представить и браны более высоких размерностей, причем колебания струн здесь заменяются вибрациями мембран. Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Эта единственность очень привлекательна, так что работа над построением полной квантовой М-теории продолжается.

Вскоре после всесторонней разработки концепции многомерных квантовых мембран научные и популярные журналы заполнили прогнозы о близости окончательной победы в борьбе с тайнами Мироздания. Однако вместо этого, при очередных попытках получить всеобщие закономерности нашего Мира, разразился очередной грандиозный кризис теории струн. Суть кризиса в теории суперструн состоит, вкратце, в следующем. М-теория описывает «жизнь» протяженных объектов в 11-мерном пространстве-времени при очень высокой температуре. 11-мерное пространство — это не прихоть, а единственный способ удовлетворить сразу всем налагаемым условиям. Если мы хотим получить из этой теории свойства нашего мира, то мы должны постепенно понижать температуру и смотреть, что происходит с этим 11-мерным пространством и летающими в нем объектами.

Получается, что 7 из 11 измерений становятся неустойчивыми и спонтанно сворачиваются в сверхмикроскопические замкнутые структуры, оставляя макроскопическими только три пространственных измерения плюс время — четырехмерное пространственно-временное многообразие нашей реальности. Детали этого механизма еще не изучены, и на сегодняшний день кажется, что в теории суперструн возможно огромное число разных конфигураций свернутого пространства. Каждая такая конфигурация приведет к «конечной вселенной» со своими характеристиками: силой взаимодействий, массами частиц и т. д. Всю эту совокупность конечных вселенных, которую можно получить из одной-единственной теории путем разных «сверток», физики назвали ландшафтом теории.

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. Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в некие сверхмалые образования с размерами не более планковских. Но, как писал в одной из последних своих космологических работ Хокинг, некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными. Мы не воспринимаем эти колоссальные образования, потому что наш Мир прикован к трехмерной бране — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — это детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Примечательно, что подобные умозаключения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты на строящихся сверхмощных ускорителях элементарных частиц могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По одной из версий Хокинга, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных струн в обычных частицах.

Один из последних суперструнных вариантов Хокинга заключался в том, что Метагалактика — видимая часть Вселенной — заполнена космическими струнами галактических или даже межгалактических размеров. Профессор Хокинг даже высказал идею, что подобные струны могут быть ответственны за «соты Метагалактики» — ячеистую структуру, сформированную гигантскими скоплениями галактик.

Хокинг объяснял, что для растяжения сверхмикроскопических струн до космических масштабов требуется трудновообразимая энергия, и ее могло дать только само расширение пространства. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь буквально метагалактическую протяженность. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущих от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть уже на новом детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком умозрительные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на БАК и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя лично я считаю ее крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

Один из ведущих струнных теоретиков современности Дэвид Джонатан Гросс в своем физико-математическом эссе «От частиц к струнам» решительно утверждает, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает «нет». Если бы у нас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц мы бы увидели в него протяженные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.