Алекс Виленкин - Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных.
Частицы-переносчики — фотоны, глюоны, W и Z — также представляют собой маленькие вибрирующие колечки, а взаимодействие частиц можно изобразить как разделение и слияние струнных петель. Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, теорию нельзя построить без гравитации.
Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. Как уже говорилось, эта проблема связана с квантовыми флуктуациями геометрии пространства-времени. Если частицы — это математические точки, то флуктуации в непосредственной близости от частиц идут вразнос, а гладкий континуум пространства-времени превращается в неистовую пространственно-временную пену. В теории струн крошечные струнные колечки имеют конечные размеры, заданные планковской длиной. Это как раз тот масштаб, ниже которого квантовые флуктуации выходят из-под контроля. Петли невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.
Идею о том, что частицы могут втайне быть струнами, предложили в 1970 году Еитиро Намбу (Yoichiro Nambu) из Чикагского университета, Холгер Нильсен (Holger Nielsen) из Института Нильса Бора и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Ешивы-Университета. Первоначально теория струн задумывалась как теория сильного взаимодействия, но вскоре обнаружилось, что она предсказывает существование безмассового бозона, для которого нет соответствия среди сильно взаимодействующих частиц. На ключевую идею о том, что этот безмассовый бозон имеет все свойства гравитона, указали в 1974 году Джон Шварц (John Schwarz) из Калтеха и Джоэл Шерк (Joel Sherk) из Эколь Нормаль Сюпериор. Потребовалось еще 10 лет, чтобы Шварц в сотрудничестве с Майклом Грином (Michael Green) из Колледжа королевы Марии в Лондоне справились с рядом тонких математических проблем и показали, что теория действительно является непротиворечивой.
В теории струн нет произвольных констант, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна. Сегодня, после 20 лет штурма сотнями талантливых физиков и математиков, она все еще остается не до конца понятной. В то же время эти исследования открыли удивительно богатые и красивые математические структуры. Это в большей мере, чем что-либо другое, указывает физикам, что они находятся на верном пути.[131]
Ландшафт
Как я только что сказал, в теории струн нет подстроечных параметров. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Теория жестко фиксирует даже число измерений пространства. Проблема в том, что ответ в результате получается неверный: она требует, чтобы пространство имело 9 измерений вместо 3.
Это звучит довольно странно: почему мы вообще должны рассматривать теорию, которая находится в столь вопиющем противоречии с реальностью? Противоречие это можно, однако, обойти, если 6 лишних измерений свернуты или, как говорят физики, компактифицированы. Соломинка для коктейля — простейший пример компактификации: у нее есть одно большое продольное измерение и другое, свернутое в маленькую окружность. Если смотреть издали, соломинка выглядит одномерной линией, но вблизи видно, что в действительности ее поверхность — это двумерный цилиндр (рис. 15.3). Совершенно аналогично компактные дополнительные измерения могут быть невидимы, если они достаточно малы. В теории струн предполагается, что они не намного превышают планковскую длину.[132]
Рис. 15.3. Соломинка для коктейля имеет двумерную поверхность. Большое измерение идет вдоль нее, а маленькое свернуто в окружность.
Главная проблема с дополнительными измерениями состоит в том, что неясно, каким именно образом они компактифицировались. Если бы существовало одно дополнительное измерение, оно могло бы компактифицироваться только одним способом: свернуться в окружность. Двумерная поверхность компактифицируется в сферу, в бублик или в более сложную поверхность с большим числом "ручек" (рис. 15.4). Количество вариантов растет с увеличением числа измерений. Колебательные состояния струн зависят от размеров и формы дополнительных измерений, так что каждая новая компактификация соответствует новому вакууму с иными типами частиц, имеющими другие массы и другие взаимодействия.
Рис. 15.4. Различные способы компактификации двух дополнительных измерений. Большие, некомпактифицированные измерения не показаны.
Струнные теоретики надеялись, что в итоге теория даст единственную компактификацию, которая описывает наш мир, и мы получим наконец объяснение наблюдаемых значений всех параметров элементарных частиц.[133] На волне энтузиазма, которая последовала за математическими прорывами 1980-х годов, казалось, что эта цель вот-вот будет достигнута, и теорию струн называли будущей "Теорией Всего" — высокое звание для концепции, которой еще только предстоит сделать свои первые наблюдаемые предсказания! Но постепенно стала вырисовываться совершенно иная картина: теория, как выяснилось, допускает тысячи различных компактификаций.
Это было бы полбеды, но в середине 1990-х годов ситуация еще ухудшилась из-за некоторых неожиданных открытий. По мере того как улучшалось понимание математики теории струн, становилось ясно, что вдобавок к одномерным струнам теория должна включать двумерные мембраны, а также их многомерные аналоги. Все эти новые объекты собирательно называются бранами.[134] Маленькие вибрирующие браны должны выглядеть как частицы, но они слишком массивны, чтобы рождаться на ускорителях.[135]
С бранами связан один неприятный эффект: они радикально увеличивают число способов, которыми можно конструировать новые виды вакуума. Брана может как резиновая лента накручиваться на некоторые компактные измерения. Каждая стабильная конфигурация браны дает новый тип вакуума. Можно накрутить одну, две и более бран на каждую ручку компактного пространства, и при большом числе ручек количество вариантов становится просто чудовищным. В уравнениях теории нет подстроечных констант, но их решения, описывающие различные состояния вакуума, характеризуются сотнями параметров: размерами компактных измерений, расположением бран и т. п.
Если у нас есть один параметр, это очень похоже на скалярное поле в обычной физике элементарных частиц. Как говорилось в предыдущих главах, оно ведет себя подобно маленькому шарику на энергетическом ландшафте и катится к ближайшему минимуму плотности энергии. С двумя параметрами ландшафт становится двумерным, как показано на рисунке 15.5. У него есть максимумы (пики) и минимумы (долины), причем последние соответствуют состояниям вакуума. Высота каждого минимума задает соответствующую плотность энергии вакуума (космологическую постоянную).
Рис. 15.5. Двумерный энергетический ландшафт. Каждое измерение (не путать с измерениями обычного пространства) представляет один параметр, характеризующий вакуум теории струн.
Действительный энергетический ландшафт теории струн гораздо сложнее, поскольку он включает куда больше параметров. Этот ландшафт нельзя изобразить на листе бумаги: чтобы учесть все параметры, нужно пространство с несколькими сотнями измерений. Но ландшафт можно анализировать математическими методами. Грубые оценки показывают, что он содержит около 10500 (гугол в пятой степени!) различных вакуумов. Некоторые из них похожи на наш; другие имеют совершенно иные значения фундаментальных постоянных. Третьи отличаются еще радикальнее: они поддерживают совершенно иные частицы и взаимодействия или имеют свыше трех больших измерений.
Когда стали проступать контуры этого ландшафта, надежда вывести из теории струн один уникальный тип вакуума быстро развеялась. Однако струнные теоретики это отрицали и были не готовы признать поражение.
Пузырящаяся Вселенная
Первыми физиками, которые откололись от стаи, были Рафаэль Буссо (Raphael Bousso), ныне работающий в Калифорнийском университете в Беркли, и Джозеф Полчински из Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре. Помните Полчински? Это тот самый струнный теоретик, который на дух не переносил антропный принцип и обещал бросить физику, если будет открыта космологическая постоянная.[136] К счастью, он изменил свое мнение как по части ухода из физики, так и в отношении антропного принципа.
