Теория струн и скрытые измерения Вселенной - Шинтан Яу

В настоящее время существует огромная пропасть между теорией и наблюдением: самые мелкие вещи, которые мы можем наблюдать с помощью современных технологий, примерно на шестнадцать порядков больше планковского масштаба, где, как предполагается, живут струны и дополнительные измерения, и пока что не представляется разумного способа преодолеть эту пропасть. Подход «грубой силы», то есть непосредственного наблюдения, вероятно, исключен, так как он требует необыкновенного мастерства и в какой-то мере удачи, так что придется проверять идеи косвенными методами. Но эту задачу необходимо решить, если струнные теоретики намерены взять верх над скептиками, а также убедить самих себя в том, их идеи что-то добавляют в науку, а не являются лишь грандиозным спекуляциями при очень небольших масштабах.

Итак, с чего мы начнем? Посмотрим в телескоп? Столкнем частицы на релятивистских скоростях и «просеем алмазную пыль» в поисках подсказки? Самый короткий ответ заключается в том, что мы не знаем, какая дорога, если она вообще существует, ведет к истине. Мы все еще не нашли тот единственный эксперимент, на который можно поставить все и который призван разрешить наши проблемы раз и навсегда. А пока что мы пытаемся изучать все из вышеперечисленного и даже больше, рассматривая любую идею, которая может дать какое-либо вещественное доказательство. Исследователи готовы заниматься этим прямо сейчас, когда феноменология струн завоевывает новые позиции в теоретической физике.

Логично посмотреть вначале вверх на небеса, как это сделал Ньютон при создании своей теории гравитации и как сделали это астрофизики для проверки теории гравитации Эйнштейна. Скрупулезный осмотр небес может, например, пролить свет на одну из самых последних и самых странных идей в теории струн — идею о том, что наша Вселенная, в буквальном смысле, находится внутри пузыря, одного из бесчисленных пузырей, украшающих космический пейзаж. Несмотря на то что вам эта идея может показаться не самой перспективной, поскольку она является скорее созерцательной, нежели естественнонаучной, мы все же продолжим наше повествование с того места, на котором остановились в предыдущей главе. И наш пример показывает, как непросто воплотить эти идеи в эксперименте.

Обсуждая пузыри в одиннадцатой главе, мы делали это в контексте декомпактификации — то есть процесса чрезвычайно невероятного, чтобы его можно было наблюдать, поскольку время разворачивания Вселенной составляет порядка e(10¹²º) лет, так и процесса, которого не имеет смысла ожидать, поскольку мы все равно не смогли бы увидеть декомпактификацию пузыря до того момента, пока он, в буквальном смысле, не ударил бы нас. А если бы он ударил нас, то «нас» бы уже не было; или мы были бы неспособны понять, что за «крышка» нас захлопнула. Но, возможно, существуют другие пузыри за пределами «нашего» пузыря. В частности, многие космологи считают, что прямо сейчас мы сидим в одном из пузырей, который образовался в конце инфляции, за долю секунды после Большого взрыва, когда среди высокоэнергетического инфляционного вакуума появился крошечный карман низкоэнергетической материи, и с тех пор расширялся, чтобы стать той Вселенной, которую мы знаем. Кроме того, широко распространено мнение, что инфляция никогда полностью не заканчивается, а начавшись, продолжается с образованием бесчисленного количества пузырьковых Вселенных, которые различаются энергиями вакуума и другими физическими характеристиками.

Сторонники малопонятной идеи пузырьковой теории надеются увидеть не наш сегодняшний пузырь, а скорее признаки другого пузыря, наполненного совершенно другим вакуумным состоянием, который надулся в нашем пузыре когда-то в прошлом. Мы могли бы случайно найти доказательство такого наблюдения, например, в космическом микроволновом фоне (КМФ), то есть реликтовом излучении, что «омывает» нашу Вселенную. КМФ — последствие Большого взрыва, является достаточно однородным с точностью до 1:100 000. По логике вещей КМФ должен быть также и изотропным, то есть обладающим одинаковыми свойствами во всех направлениях. Столкновение с другим пузырем, которое приведет к преобладанию энергии в одной части Вселенной по отношению к другой, должно нарушить наблюдаемую однородность и вызвать анизотропию. Это означало бы существование выделенного направления в нашей Вселенной, своеобразной «стрелы», которая указывала бы прямо на центр другого пузыря непосредственно перед тем, как он врезался в нас. Несмотря на опасности, ассоциирующиеся с декомпактификацией нашей собственной Вселенной, столкновение с другой вселенной, находящейся в другом пузыре, не обязательно будет фатальным. Стенка нашего пузыря, хотите верьте, хотите нет, в состоянии обеспечить некоторую защиту. Однако такое столкновение может оставить заметный след в КМФ, который будет не просто результатом случайных флуктуаций.

Своеобразной визитной карточкой, которую ищут космологи, возможно, является обнаруженная анизотропия КМФ, названная ее открывателями Жоао Магейжо и Кейт Лэнд из Королевского колледжа Лондона «осью зла». Магейжо и Лэнд утверждают, что горячие и холодные участки в КМФ, по-видимому, ориентированы вдоль определенной оси; если данные были обработаны корректно, то это означает, что Вселенная имеет определенную ориентацию, что противоречит священным космологическим принципам, утверждающим, что все направления во Вселенной неразличимы. Но в данный момент никто не знает, является ли предполагаемая ось чем-то большим, чем статистическая флуктуация.

Если бы мы могли получить надежные свидетельства, что в нас врезался еще один пузырь, то что бы это доказало? И будет ли это иметь что-то общее с теорией струн? «Если бы мы не жили в пузыре, то не могло бы быть и столкновения, так что для начала мы бы узнали, что мы действительно живем в пузыре», — объясняет физик Мэтью Клебан из Нью-Йоркского университета. Более того, благодаря столкновению мы также узнали бы, что снаружи находится, по крайней мере, еще один пузырь. «Несмотря на то что это не доказывает истинности теории струн, теория делает много странных предсказаний, одно из которых заключается в том, что мы живем в пузыре» — в одном из множества подобных пузырей, разбросанных по всему ландшафту теории струн. «Как минимум, — считает Клебан, — мы могли бы увидеть что-то странное и неожиданное, что также является предсказанием теории струн».[221]

Однако есть очень важный нюанс, который отмечает Генри Тай из Корнеллского университета: столкновения пузырей могут также возникать в квантовой теории поля, которая не имеет ничего общего с теорией струн. Тай признается, что в случае обнаружения следов столкновения он не знает, следствием какой теории их лучше объяснять — струнной или теории поля.[222]

Тогда встает вопрос: можно ли когда-либо увидеть что-то подобное, независимо от его происхождения? Вероятность обнаружения пузыря, конечно, зависит от того, находится ли какой-либо случайный пузырь на нашем пути или в пределах «светового конуса». «Он может оказаться где угодно, — говорит Бен Фрайфогель, физик из Калифорнийского университета. — Это вопрос вероятностей, и у нас недостаточно знаний, чтобы определить эти вероятности».[223] Несмотря на то что никто не может точно оценить шанс такого обнаружения, большинство специалистов считают, что он крайне мал.

Хотя расчеты подсказывают, что пузыри не представляют плодородной почвы для исследований, многие физики до сих пор полагают, что космология дает прекрасный шанс проверить теорию струн, учитывая, что почти планковские энергии, при которых возникают струны, настолько огромны, что их никогда нельзя будет воспроизвести в лабораторных условиях.

Возможно, наибольшую надежду когда-либо увидеть струны, предполагаемый размер которых составляет порядка 10-33см, вселяет возможность образования их в момент Большого взрыва и увеличения в размерах по мере расширения Вселенной. Я имею в виду гипотетические образования, называемые космическими струнами, — эта идея возникла до теории струн, но возродилась с новой силой благодаря ассоциации с этой теорией.

В соответствии с традиционной точкой зрения, которая совпадает с точкой зрения теории струн, космические струны являются тонкими, сверхплотными нитями, образовавшимися во время «фазового перехода» в первую микросекунду космической истории. Как трещина неизбежно появляется во льду при замерзании воды, так и Вселенная в первые моменты своей жизни проходит через фазовый переход, который сопровождается возникновением разного рода дефектов. Фазовый переход должен был происходить в различных областях в одно и то же время, а линейные дефекты должны были образоваться в месте стыка, то есть там, где эти области набегали друг на друга, оставляя позади себя тонкие нити не превращенной материи, навсегда попавшей в ловушку изначального состояния.