Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

Старый вопрос, почему наша Вселенная является единственно возможной, в настоящее время заменяется вопросом, в котором теории существования мини-вселенных нашего типа [являются] возможными. Этот вопрос по-прежнему очень сложен, но он намного легче, чем предыдущий. По нашему мнению, изменение точки зрения на глобальную структуру Вселенной и на наше место в этом мире является одним из важнейших следствий развития сценария расширяющейся Вселенной.

Как подчеркнул Линде, и как с тех пор стало ясно, эта картина также обеспечивает еще одну новую возможность для физики. Вполне может быть, что в природе существует множество возможных квантовых низкоэнергетических состояний Вселенной, на которые расширяющаяся Вселенная в конечном итоге может распадаться. Поскольку конфигурация квантовых состояний этих полей будет отличаться в каждой таком области, характер фундаментальных законов физики в каждой области / вселенной может отличаться.

Здесь возникает первый «ландшафт», в котором антропный аргумент, приведенный ранее, мог бы утратить свою силу. Если есть много различных состояний, в которых наша Вселенная может оказаться после инфляции, возможно, то, в котором мы живем, то, в котором есть ненулевая энергия вакуума, достаточно маленькая, чтобы сформировались галактики — это лишь одно из потенциально бесконечного семейства состояний, которое выбрано для любознательных ученых, поскольку поддерживает галактики, звезды, планеты, и жизнь.

Термин «ландшафт», однако, не впервые появляется в этом контексте. Этому способствовало гораздо более эффективная маркетинговая машина, связанная с сильной командой, которая двигала теорию частиц на протяжении большей части последней четверти века — теория струн. Теория струн утверждает, что элементарные частицы состоят из более фундаментальных составляющих, и не частиц, а объектов, которые ведут себя как колеблющиеся струны. Так же, как колебания струн на скрипке могут издавать различные ноты, так же в этой теории различные виды колебаний создают объекты, которые могли бы, в принципе, вести себя как все различные элементарные частицы, которые мы находим в природе. Загвоздка, однако, в том, что теория математически не сообразна, если задана только в четырех измерениях, а требует, похоже, гораздо больше, чтобы иметь смысл. Что происходит с другими измерениями — не очень понятно, равно как и вопрос о том, какие другие объекты, кроме струн, могут быть важны для определения теории — и это лишь некоторые из многих нерешенных проблем, которые предстают перед учеными и несколько притупляют начальный энтузиазм по отношению к этой идее.

Здесь не место тщательно рассматривать теорию струн, и, в сущности, тщательный анализ, вероятно, невозможен, так как если и стало что-то ясно в последние двадцать пять лет, так это то, что теория, раньше называемая теорией струн, явно представляет собой нечто гораздо более замысловатое и сложное, чья фундаментальная природа и строение до сих пор остается загадкой.

Мы по-прежнему не знаем, имеет ли эта замечательная теоретическая конструкция фактически хоть что-то общее с реальным миром. Тем не менее, пожалуй, ни одна теоретическая картина никогда так успешно не проникала в сознание физиков, не демонстрируя свою способность успешно решить хоть одну экспериментальную тайну природы.

Многие люди воспримут последнюю фразу как критику теории струн, но хотя я был заклеймен в прошлом как клеветник, на самом деле у меня здесь нет такого намерения, равно как и не было в многочисленных лекциях и благонамеренных публичных дебатах по этому вопросу, которые я вел с моим другом Брайаном Грином, одним из главных сторонников теории струн. Скорее, я думаю, важно просто преодолеть шумиху для проверки реальности. Теория струн содержит увлекательные идеи и математику, которые могли бы пролить свет на одно из самых фундаментальных противоречий в теоретической физике — нашу неспособность представить общую теорию относительности Эйнштейна в форме, которая может быть совместимой с законами квантовой механики, что привело бы к разумным предсказаниям о том, как Вселенная ведет себя на самых малых масштабах.

Я написал целую книгу о том, как теория струн попыталась обойти эту проблему, но для наших целей здесь необходим только очень краткий обзор. Основной план легко изложить, даже если трудно реализовать. На очень малых масштабах, соответствующих масштабам, где впервые могут обнаружиться проблемы между гравитацией и квантовой механикой, элементарные струны могут сворачиваться в замкнутые петли. Среди множества возбужденных состояний таких замкнутых петель всегда существует одно такое состояние, которое обладает свойствами частицы, передающей, в квантовой теории, гравитацию — гравитона. Таким образом, квантовая теория таких струн обеспечивает, в принципе, игровое поле, на котором может быть построена истинная квантовая теория гравитации.

И действительно, было обнаружено, что такая теория может избежать досадных бесконечностей в предсказаниях стандартных квантовых подходов к гравитации. Однако была одна загвоздка. В простейшей версии теории такие бесконечности в прогнозах могут быть устранены, только если струны, образующие элементарные частицы, вибрируют, и не просто в трех пространственных измерениях и одном временном, с которыми мы все знакомы, а в двадцати шести измерениях!

Можно было бы ожидать, что такого скачка сложности (и, возможно, веры) будет достаточно, чтобы отвернуть большинство физиков от теории, но в середине 1980-х некоторые красивые математические работы целого ряда ученых, в первую очередь Эдварда Виттена из Института перспективных исследований, показали, что теория в принципе может сделать гораздо больше, чем просто создать квантовую теорию гравитации. Внеся новые математические симметрии, особенно удивительно мощную математическую структуру, называемую «суперсимметрией», стало возможным уменьшить число измерений, необходимых для состоятельности теории, с двадцати шести до всего лишь десяти.

Более важным, однако, казалось, что в контексте теории струн можно объединить гравитацию с другими силами в природе в единую теорию, и, кроме того, можно объяснить существование каждой отдельной элементарной частицы, известной в природе! Наконец, казалось, что может быть одна единственная теория в десяти измерениях, которая воспроизводила бы все, что мы видим в нашем четырехмерном мире.

Начали выдвигаться заявки на разработку «теории всего», и не только в научной, но и в популярной литературе. В результате, возможно, больше людей знакомы с «суперструнами», чем со «сверхпроводимостью» — последнее представляет собой замечательный факт, что, когда некоторые материалы охлаждаются до экстремально низких температур, они могут проводить электричество без всякого сопротивления вообще. Это не только одно из самых замечательных свойств материи, которое когда-либо наблюдали, но оно даже изменило наше понимание квантового строения веществ.

Увы, прошедшие двадцать пять лет не были успешными для теории струн. Несмотря на то, что лучшие теоретические умы в мире начали сосредотачивать на ней свое внимание, выдавая массу новых результатов и по ходу множество новой математики (Виттен, например, завоевал высшую награду в области математики), стало понятно, что «струны» в теории струн, вероятно, не фундаментальные объекты вообще. Поведение этой теории, вероятно, контролируют другие, более сложные структуры, «браны», названные в честь мембран в клетках, которые существуют в более высоких измерениях.

Что еще хуже, стала исчезать уникальность теории. В конце концов, мы ощущаем себя не в десятимерном мире, а в четырехмерном. Что-то должно произойти с остальными шестью пространственными измерениями, и каноническое объяснение их невидимости — это то, что они каким-то образом «компактифицированы», то есть, свернуты на таких малых масштабах, что мы не можем объяснить их на наших масштабах или даже на крошечных масштабах, исследуемых сегодня на наших ускорителях самых высокоэнергетических частиц.

Есть разница между этими предлагаемыми скрытыми областями и сферами духовности и религии, даже если они могут не показаться такими разными на первый взгляд. Во-первых, они доступны в принципе, если можно будет построить достаточно энергичный ускоритель — возможно, за пределами реальности, но не за пределами возможности. Во-вторых, можно было бы надеяться, как и для виртуальных частиц, найти некоторые косвенные свидетельства их существования через объекты, которые мы можем изучать в нашей четырехмерной Вселенной. Короче говоря, поскольку эти измерения были предложены в рамках теории, разработанной, чтобы реально попытаться объяснить Вселенную, а не обосновать ее, они могли бы, в конечном итоге, быть доступными для эмпирической проверки, даже если вероятность этого мала.