В которой вводится понятие струнного ландшафта и объясняется, что такое антропная мотивация

Для того чтобы теория суперструн имела математический смысл, струны должны существовать более чем в трех измерениях. Это создает для теории определенные затруднения, ведь теперь она должна дополнительно объяснить, почему мы видим всего три из этих измерений. Кроме того, важно знать, сколько их всего. Четыре, пять, двадцать? Теория струн вводит понятие новой симметрии Вселенной – суперсимметрии. Я уже упоминал ее, когда мы обсуждали темную материю, но сейчас настало время поговорить о ней более подробно. Насколько нам известно, в Природе существует два типа частиц – те, из которых состоит материя (электроны, кварки и некоторые другие), и те, которые переносят силы (фотоны для электромагнитных сил, гравитоны для гравитации, менее известные глюоны, удерживающие кварки внутри протонов и нейтронов, и тяжелые частицы Z⁰, W⁺ и W^–, переносчики слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад). Суперсимметрия означает, что частицы материи могут превращаться в частицы силы и наоборот. В результате, каждая частица имеет своего «суперсимметричного партнера»: у электрона он будет называться селектроном, у любого из кварков – скварком и т. д.

У вас мог возникнуть вопрос: зачем кому‑то понадобилось удваивать количество элементарных частиц в Природе? Ответ (и изначальный толчок к введению понятия суперсимметрии в середине 1970‑х) состоит в том, что теории суперсимметрии могут объяснить, почему пустое пространство имеет нулевую энергию. Если бы это было не так, если бы в космосе имелась какая‑то остаточная энергия, она бы действовала как космологическая постоянная, ускоряющая расширение Вселенной. В середине 1970‑х ученые еще не располагали доказательствами существования расширения, поэтому и ввод подобной постоянной был невозможен. Темная энергия была открыта в 1998 году, и до этого момента предполагалось, что космическая постоянная равна нулю. Суперсимметрия предлагалась в качестве объяснения того, почему это так.

Проблема состояла в вакууме (так физики называют состояние отсутствия каких бы то ни было частиц). Вакуум – это пустое пространство и максимальное физическое приближение к понятию «ничто». Но квантовая физика все усложняет. Как вы можете помнить, основное ее положение состоит в том, что все колеблется – положение частицы, ее скорость и энергия. Даже если пустое пространство вообще не имеет энергии, квантовые флуктуации могут периодически подталкивать уровни энергии выше нуля. В регионах с избытком энергии могут периодически возникать частицы, так как в соответствии с уравнением E = mc ² энергия может превращаться в массу. Такие частицы возникают и исчезают, как пузыри на кипящем супе. Если суммировать крошечные квантовые эффекты по всему космосу, мы получим огромную добавку к энергии. Суперсимметрия подавляет такие флуктуации, заставляя энергию пустого пространства исчезнуть. Таким образом, она объясняет, почему космологическая постоянная равна нулю. Но теперь, когда нам известно о темной энергии, мы знаем, что это не так! С 1998 года ученые больше не могли использовать суперсимметрию для объяснения отсутствия вакуумных флуктуаций.

Объяснение небольших значений – это довольно сложная задача в физике. Тем не менее у теории суперсимметрии есть и другие точки приложения. Например, она может объяснить, почему масштаб, с которым частицы получают массы под воздействием бозона Хиггса, намного (почти в 16 раз) меньше, чем масштаб, при котором наблюдаются колебания пространства‑времени в результате квантовых эффектов. Кроме того, она может предложить некоторые объяснения темной материи. В связи с этим, несмотря на отсутствие свидетельств ее существования (эксперименты, направленные на поиски предсказанных ей частиц, ничего не выявили), суперсимметрия все еще остается прочно укоренившейся в умах многих физиков.

Но вернемся к струнам. Если совместить их с суперсимметрией, то можно легко установить количество пространственных измерений, в которых могут существовать суперструны. Всего таких измерений девять. В данный момент существует пять возможных теорий струн. Физик‑теоретик из Института перспективных исследований Эдвард Виттен показал, что все их можно объединить в одну, если добавить еще одно измерение. Эта новая теория получила название «М‑теория».[74]

Итак, если в основе Природы лежат струны, это значит, что еще целых шесть измерений остаются для нас невидимыми. Как такое возможно? Этому достаточно новому для науки вопросу была посвящена моя докторская диссертация и некоторая часть работы в постдокторантуре. В частности, если мы попытаемся совместить теорию суперструн с теорией Большого взрыва, как объяснить, что три измерения разрослись, а остальные шесть остались в своем первоначальном виде? Было предложено множество моделей, большинство из которых содержало в качестве причины силу притяжения между частицами, порождаемыми вибрациями струн. Именно это притяжение и должно было удерживать другие измерения в их изначальном виде. Так как у нас все еще нет единого кандидата на роль теории суперструн, то и ответить на этот вопрос мы не можем. Последние идеи основываются на том, что некоторые измерения слишком малы по сравнению с другими (также недоступными для наблюдения). Другие предполагают, что дополнительные измерения очень велики и пронизывают собой все, а мы живем в пространстве (в бране) между ними, словно на куске тоста, зависшем в воздухе. Лиза Рэнделл, мой друг с ранних лет существования экстрамерной космологии и первая женщина, получившая должность профессора теоретической физики в Гарвардском университете (долго же они ждали), написала книгу о концепции браны, которую она разработала совместно с Раманом Сандрумом в 1999 году.[75]

Я рассказываю вам об этом потому, что теория суперструн также предсказывает существование Мультивселенной, которая в данном случае называется струнным ландшафтом. Струнный ландшафт включает в себя все возможные складки и изгибы шести измерений, которые могут существовать в принципе (представьте себе бесчисленное количество форм, которые вы можете слепить из куска пластилина, да еще и с разным количеством отверстий). Каждая форма экстрамерного пространства обладает в нашей трехмерной реальности разными физическими свойствами. Струнный ландшафт – это пространство, в котором могут существовать все формы шести измерений, так что пройтись по нему вам не удастся. Идея ландшафта привела к возникновению интересного психологического сдвига в отношении к теории струн. Изначально ее главной привлекательной стороной была претензия на роль единственной теории Природы. Ее основное преимущество и красота крылись в уникальности. Ученые надеялись, что после решения фундаментальных уравнений теории они смогут получить единственно возможное решение – нашу Вселенную. Увы, все оказалось совсем не так. Дальнейшие исследования показали, что теория суперструн может давать огромное множество решений (до 10⁵⁰⁰) в связи с топологическим разнообразием структуры многомерного космоса. Как можно выбрать единственно верное решение из 10⁵⁰⁰? Что направляло Вселенную к выбранному ей решению – «истинному вакууму»? На сегодняшний день никому не удалось найти убедительный критерий отбора, а в его отсутствие теория струн перестает быть уникальной.

Кроме того, так как каждое возможное объяснение экстрамерного космоса означает новую геометрию четырехмерного пространства, воплощенную в уникальном наборе частиц и взаимодействий между ними, различные колебания ландшафта (струнные пустоты) могут означать совершенно разные вселенные. Чем из них может выделиться наша с ее измеренными значениями основных постоянных и скорости расширения? Может быть, она уникальна тем, что в ней есть живые существа? Начиная с XVII века физическая космология показывает нам, как ничтожна наша роль в общей картине мира. Могут ли суперструны опровергнуть идеи Коперника?

В 2000 году Рафаэль Буссо из Университета Калифорнии в Беркли и Джозеф Полчински из Института теоретической физики имени Кавли при Университете Калифорнии в Санта‑Барбаре (где я когда‑то работал в качестве постдока) решили совместить струнный ландшафт с теорией вечной инфляции. Они рассуждали так. Различные провалы (или, точнее, углубления) в ландшафте должны чередоваться с быстро расширяющимися участками, что в итоге приведет к их изоляции друг от друга. Иными словами, все струнные пустоты – это отдельные вселенные (а не только наша). Таким образом, Буссо и Полчински избавились от вопроса нашей уникальности. Чтобы еще сильнее приблизить свою идею к модели инфляции, они предположили, что небольшие квантовые колебания могут вызывать незначительные изменения в геометрии дополнительных шести измерений, что, в свою очередь, привело бы к возникновению случайных движений по всему ландшафту. Итак, Мультивселенная в теории струн состоит из изменяющихся реализаций различных струнных пустот, каждая из которых представляет собой отдельную вселенную с собственными частицами и, возможно, даже собственными физическими законами. Последнее предположение высказывается часто, но кажется мне довольно непонятным. Изменения в массах и силе взаимодействия между частицами не ведут к изменению фундаментальных законов Природы, таких как сохранение энергии или электрического заряда.

Теория постоянно расширяющейся струнной мультивселенной постулирует существование множества вселенных, которым неизвестно друг о друге. Впервые в истории науки теоретическая физика дала добро на неизвестное. Такое радикальное отступление от проверенных временем методов экономической науки вызвало удивление множества физиков и появление по меньшей мере такого же количества вопросов. Как мы можем надеяться когда‑нибудь найти объяснение своему собственному существованию в этой безумной мешанине постоянно возникающих новых вселенных? Или наука отказалась от этой идеи? Для ответа на эти вопросы многие приверженцы теории струн используют подход, который еще пару лет назад считался проклятием для всей философии уникальности, стоящей за разработкой теории струн. Имя ему антропный принцип, и он гласит, что наша уникальность – это не причина, а следствие.[76]

В 1870‑х годах астрофизик Брэндон Картер заявил, что нет ничего удивительного в том, насколько наша Вселенная благоприятна для жизни. В конце концов, только во вселенной, обладающей необходимыми свойствами (читай: значениями масс фундаментальных частиц и силы взаимодействия между ними, а также ряда космологических параметров, указывающих на достаточный возраст космоса и его расширение с подходящей скоростью), могло бы смениться несколько поколений звезд, а значит, у жизни появился бы шанс зародиться. Иными словами, природные константы, такие как сила притяжения или масса электрона, способствуют возникновению жизни. Учитывая тонкость физических процессов, приводящих к возникновению и смерти звезд в расширяющейся вселенной, допустимый диапазон значений этих постоянных не так уж велик. Мы могли бы существовать лишь в нескольких возможных вселенных, в которых природные константы имели бы значения, близкие к измеряемым нами сейчас.

Буссо и Полчински (а за ними и их коллеги) заключили, что антропный принцип – это единственный критерий отбора, по которому наша Вселенная как‑то выделяется на огромном струнном ландшафте. Когда в 2003 году к ним присоединился один из создателей теории струн Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета, концепция струнного ландшафта стартовала с места в карьер. Антропный принцип указывает на то, что мы можем существовать только в струнной пустоте с небольшим значением космологической постоянной (примерно таким же, которое, судя по всему, обеспечивается темной энергией). Так как все пустоты в ландшафте в принципе реализованы где‑то в Мультивселенной, нет ничего удивительного в том, что среди них есть и наша, даже если мы занимаем всего лишь дальний уголок космоса. Уникальности не существует, есть лишь бесконечное количество возможностей, включая самые невероятные. Наша посредственность, на которую указывал еще Коперник, была полностью восстановлена. Разумеется, если бы кто‑нибудь сумел найти убедительное подтверждение тому, что наш вакуум чем‑то выделяется на струнном ландшафте, антропный принцип был бы забыт уже на следующий день как противоречащий самой сути физики.

Те, кто не верит в пользу антропного принципа (я причисляю и себя к этой группе), утверждают, что он не помогает нам в открытии нового, но всего лишь предлагает ряд допустимых значений для заданных переменных путем подгонки под них уже известных нам данных. Антропный принцип сужает возможный выбор физических параметров на основании свойств известной нам Вселенной, но не дает этому выбору никаких объяснений. Он подстраивается под реальность, а не проливает свет на нее. Чтобы проиллюстрировать это, я скажу вам, что средний рост взрослого американца составляет 1,77 метра. Простая статистика говорит нам, что во время прогулки по улицам города в США шансы встретить мужчину ростом от 1,63 до 1,99 метра составляют 95 %. Именно это и дает нам антропный принцип – ряд значений, основанный на среднем показателе. Но если бы этот средний показатель был нам неизвестен, мы не извлекли бы из антропного принципа ничего полезного. В частности, он не смог бы объяснить нам, почему средний рост американского мужчины именно таков (на самом деле это сложный вопрос, требующий междисциплинарных исследований).[77]

Может ли Мультивселенная с различными значениями различных природных констант возникнуть в контексте вечной инфляции без участия суперструн? В теории да. Мы можем представить себе теорию, содержащую множество скалярных полей, каждое из которых имеет собственный набор постоянных при минимальном уровне энергии (как бозон Хиггса определяет значение масс в низкоэнергетическом вакууме, в котором существуем мы). При такой форме инфляции участок пространства, ограниченный космическим горизонтом, будет содержать несколько скалярных полей с разными историями, разными минимумами энергии и, соответственно, разными наборами констант. Или скалярное поле может быть одно, или их может быть несколько, но с многочисленными возможными минимальными уровнями энергии. На различных участках поля будут сводиться к разным минимальным значениям, приводя к возникновению различных физических констант.

В совокупности все приведенные выше аргументы указывают на то, что множественность вселенных теоретически возможна. Итак, для продолжения рассуждений давайте остановимся на мысли о том, что мы живем в Мультивселенной. Сможем ли мы когда‑либо узнать об этом наверняка? Доступна ли Мультивселенная для наблюдений? Иными словами, Мультивселенная – это экспериментально доказуемая научная гипотеза или чисто теоретическая концепция, ведущая к опасному расколу в научном сообществе? И, что самое важное, познаваема ли она?