Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Глава 10. Браны в основании вселенской машины Руба Голдберга

Теперь мы переходим к сути вопроса. Апелляции к той или иной форме антропного принципа с целью объяснить устройство Вселенной не новы. По-настоящему новой идеей, взорвавшей научное сообщество, вызвавшей ожесточённые споры среди физиков и явившейся причиной написания этой книги, стала идея о том, что ландшафт теории струн содержит огромное число разнообразных долин. Более ранние теории, такие как КЭД (теория фотонов и электронов) и КХД (теория кварков и глюонов), господствовавшие на протяжении всего XX века, описывали очень скучные ландшафты. Стандартная модель, как бы она ни была сложна, содержит только один вариант вакуума. Эти теории не оставляли нам вариантов выбора вакуума, в котором мы живём.

Причину такой скудности разнообразия вакуумов в старых теориях понять нетрудно. Она состояла не в том, что квантовые теории поля с богатым ландшафтом были математически невозможны. Добавив в Стандартную модель сотню-другую ненаблюдаемых полей, таких как поле Хиггса, можно было бы сгенерировать гигантский ландшафт. Причина единственности вакуума Стандартной модели кроется также и не в какой-то особенной математической элегантности, о чём я уже говорил в главе 4. Она скорее в том, что все эти теории выдвигались с целью описания отдельных эмпирических закономерностей нашего собственного мира. Они были созданы на основе экспериментальных данных и лишь описывали, но не объясняли, наш собственный вакуум. Эти теории замечательно выполняли ту работу, для которой они были разработаны, но не более того. Имея перед собой такие ограниченные цели, теоретики не видели причин для добавления в теорию кучи дополнительных структур только для того, чтобы разнообразить ландшафт. Большинство физиков XX века, за исключением таких провидцев, как Андрей Линде и Александр Виленкин, сочли бы богатый ландшафт недостатком, а не преимуществом.

До недавнего времени струнные теоретики были ослеплены этой старой парадигмой, требующей, чтобы вакуум, описываемый теорией, был единственным.

Несмотря на то что существует по крайней мере миллион различных многообразий Калаби – Яу, которые могут быть использованы для компактификации дополнительных измерений, присутствующих в теории струн, ведущие исследователи продолжают надеяться, что им удастся найти некий математический принцип, на основании которого они смогли бы исключить все лишние варианты, кроме одного. Но, несмотря на все усилия, потраченные на поиск этого принципа выбора единственного вакуума, ничего подобного так и не появилось. Говорят, что надежда умирает последней, но в последнее время всё большее число теоретиков начинают подозревать, что правильная теория может оказаться совсем не тем, на что они надеялись. Эта теория претендует на то, чтобы её рассматривали как «теорию разнообразия», а не как «теорию единственности».

Что, если теория струн, производящая богатый и разнообразный ландшафт, как раз и является искомой теорией? Для ответа на вопрос необходимо рассмотреть невероятно сложные крошечные свёрнутые геометрии, скрывающие дополнительные шесть или семь пространственных измерений. Но прежде чем мы погрузимся в эти сложности, я хотел бы продемонстрировать одну из них на более простом примере. Этот пример, собственно, и послужил источником вдохновения для появления термина «Ландшафт».

Термин «Ландшафт» возник не из теории струн и не из космологии. Когда я впервые использовал его в 2003 году для описания большого количества вакуумов теории струн, я заимствовал его из более старой области науки: из физики и химии больших молекул. Возможные конфигурации больших молекул, состоящих из сотен или тысяч атомов, уже давно описывались как ландшафты или – иногда – как энергетические ландшафты. Ландшафт теории струн имеет гораздо больше общего с «конфигурационным пространством» больших молекул, чем с бедными ландшафтами квантовой теории поля. Я задержусь на этом моменте, прежде чем вернуться к теории струн.

Начнём с одного атома. Для того чтобы описать положение атома в пространстве, необходимо задать три числа, а именно координаты атома: x, y и z. Если вам не нравятся x, y и z, можете использовать вместо них долготу, широту и высоту. Таким образом, возможные конфигурации одного атома – это точки в обычном трёхмерном пространстве.

Простейшая система, которую можно построить из атомов, – это двухатомная молекула: молекула, состоящая из двух атомов. Чтобы задать положения двух атомов, нужны шесть чисел: x1, y1, z1 и x2, y2, z2. Индексы 1 и 2 обозначают набор координат первого и второго атома соответственно. Эти шесть чисел задают две точки в трёхмерном пространстве, но мы можем также представить себе, что они задают положение одной точки в шестимерном пространстве. Такое шестимерное пространство является ландшафтом, описывающим двухатомную молекулу.

Теперь представим себе молекулу, состоящую из 1000 атомов. Для неорганической химии это огромная молекула, но для органической, а тем более для биохимии молекулы такого размера – вполне обычное дело. Как описать положение всех атомов в такой молекуле? Вопрос отнюдь не академический: биохимики и биофизики, пытающиеся понять, как происходит сворачивание белковой молекулы в пространственную структуру и как происходит денатурация белка, придумали понятие молекулярного ландшафта.

Очевидно, что для указания положений 1000 атомов необходимо 3000 чисел, которые мы можем представить как координаты точки на 3000-мерном ландшафте – ландшафте всевозможных состояний молекулы.

Набор атомов обладает потенциальной энергией, которая изменяется, когда атомы изменяют своё взаимное расположение. Например, потенциальная энергия двухатомной молекулы увеличится, если атомы приблизятся друг к другу. Будучи предоставлены сами себе, атомы стремятся расположиться так, чтобы потенциальная энергия системы была минимальной. Несомненно, визуализировать потенциальную энергию 1000 атомов очень трудно, но общий принцип неизменен: потенциальная энергия молекулы меняется по мере того, как мы перемещаемся по ландшафту. В главе 3 мы представляли потенциальную энергию как высоту. Наш ландшафт имеет сложный рельеф с горами, долинами, горными хребтами и равнинами. Перемещаясь по этому сложному ландшафту, мы в конце концов придём к стабильной конфигурации молекулы, соответствующей локальному минимуму потенциальной энергии, то есть окажемся на дне одной из долин.

Более всего поражает воображение огромное количество этих долин: оно растёт экспоненциально с ростом числа атомов. Для крупных молекул количество отдельных локальных долин исчисляется не миллионами и даже не миллиардами. Ландшафт 1000-атомной молекулы содержит порядка 10100 долин. Какое же отношение всё это имеет к ландшафту вакуума в теории струн? Ответ заключается в том, что как молекулы, так и компактификации теории струн имеют огромное число «движущихся частей», или более строго – степеней свободы. Некоторые из этих «частей» уже встречались нам ранее. Модули компактификации являются числами, которые определяют размеры и формы различных геометрических особенностей многообразий Калаби – Яу. В этой главе мы займёмся исследованием некоторых из «движущихся частей», чтобы понять, почему ландшафт теории струн настолько сложный и разнообразный.

D-браны

В главе 8 я рассказал, как Эд Виттен в 1995 году выдвинул идею объединения множества теорий струн в одну большую M(астер) – теорию. Но у новой теории была одна серьёзная проблема: теория требовала введения новых объектов, которых не существовало в прежних теориях струн. Получалось, что каждая из теорий струн должна была содержать неизвестные ранее объекты, глубоко скрытые в недрах её математического аппарата. Фундаментальные струны в одной версии теории являлись совершенно иными объектами, нежели фундаментальные струны в другой версии. Но, изменяя модули, можно перебраться через ландшафт одной версии теории к другой, при этом объекты A одной теории превратятся в объекты Б другой. Одним из примеров является превращение мембран М-теории в струны теории типа IIa. Идея Виттена была привлекательной и даже убедительной, но характер новых объектов и их место в математическом каркасе теории оставались полной загадкой до тех пор, пока Джозеф Полчински не обнаружил браны.

Джо Полчински выглядит очень молодо и ведёт себя как «свой в доску парень». Говоря о еде, Джо однажды заметил: «Существует только два вида блюд: те, которые едят с шоколадным соусом, и те, которые едят с кетчупом». Но мальчишеская внешность скрывает один из самых глубоких и мощных умов, атаковавших физические проблемы за последние полвека. Ещё до того, как Виттен представил свою М-теорию, Джо экспериментировал с новой идеей в теории струн. Скорее в порядке математической игры, нежели серьёзного исследования он предположил, что в пространстве могут существовать особые места, в которых струны обрываются. Представьте, как ребёнок дёргает скакалку в разные стороны, создавая бегущие волны. Волны распространяются к дальнему концу скакалки, но то, что происходит с ними дальше, зависит от того, закреплён второй конец скакалки или свободен. До Полчински считалось, что открытые струны всегда имеют свободные концы, «болтающиеся» в пространстве. Новая идея Джо состояла в том, что в пространстве могут существовать особые «якоря», удерживающие свободные концы струн от колебаний. Якорем может быть просто точка в пространстве: это более или менее напоминает ситуацию, когда второй конец скакалки удерживается от колебаний сильной рукой старшего товарища. Но существуют и другие варианты. Предположим, что конец скакалки прикреплён к кольцу, которое может скользить вверх и вниз вдоль вертикальной штанги. Конец как бы частично зафиксирован, но в какой-то мере может свободно двигаться. Хотя прикреплённый к штанге конец может свободно скользить по ней, это движение возможно только вдоль штанги. «Почему бы не применить аналогию скакалки и штанги к теории струн? – рассуждал Полчински. – Почему бы не существовать особым линиям в пространстве, к которым прикреплены свободные концы струн? Подобно скакалке, скользящей вдоль штанги, конец струны мог бы свободно скользить вдоль линии, причём сами линии могут быть и кривыми. Но точкой и линией не исчерпываются все возможности. Конец струны может быть присоединён к поверхности – своего рода мембране. Свободно скользя в любом направлении вдоль поверхности мембраны, конец струны в то же время не может её покинуть».