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

На сегодняшнем уровне точности наших наблюдений нам пока не удаётся найти никаких свидетельств отрицательной кривизны нашей Вселенной. С одной стороны, если инфляционная фаза продолжалась очень долго, то мы и не обнаружим никакой отрицательной кривизны. Но с другой стороны, если мы обнаружим отрицательную кривизну, то это будет неоспоримым доказательством того, что наша Вселенная родилась в форме крошечного пузырька в вакууме с большей, чем нынешняя, космологической постоянной.

Суперструны в небесах

Мы исчерпали далеко не все наши возможности исследования Вселенной. Возможно ли реально обнаружить суперструны? Очевидно, что они слишком малы для наших экспериментальных методов. Но ведь то же самое можно было сказать и о микроскопических квантовых флуктуациях, происходивших во время инфляционной фазы, однако в главе 5 мы увидели, что расширение Вселенной и гравитация удивительным образом превращают эти микроскопические возмущения во вполне наблюдаемые эффекты, проявляющиеся в неравномерности распределения фона реликтового излучения, и в конце концов именно они приводят к появлению видимых сегодня на небе галактик и звёзд. Сегодня мы наблюдаем последствия микроскопических квантовых флуктуаций в виде гигантского расширяющегося небесного свода, расписанного безумным художником-пуантилистом, и это – поистине невероятный факт, ставший полной неожиданностью для большинства физиков, привыкших воспринимать квантовые эффекты как нечто, присущее исключительно микромиру. Так что, наверное, не следует с порога отвергать мысль о том, что такие мелкие объекты, как суперструны, не способны произвести что-либо подобное, – скажем, превратить небосвод в гигантский холст Джексона Поллока.

Опираясь на работы Тибо Дамура, Александра Виленкина, Джо Полчински и других, теоретики принялись исследовать новые, чрезвычайно захватывающие явления, связанные с инфляционной фазой. Причиной инфляции является энергия вакуума, предшествовавшего нынешнему. Эта энергия никуда не исчезла после того, как Вселенная упала с потенциального обрыва в нашу сегодняшнюю долину Ландшафта, а преобразовалась в более простые формы энергии – в излучение и вещество, из которых состоит наша Вселенная.

Но энергия может существовать и в других формах. Часть энергии могла преобразоваться в потенциальную энергию чрезвычайно запутанного клубка струн, напоминающего моток шерсти, после того как тот попал в лапы коту. Этот клубок может содержать не только обычные струны теории струн, но и D-струны, разработанные Полчински.

Если такой клубок возник в ранней Вселенной, то в процессе последующего расширения он тоже раздуется до огромных масштабов: крошечные микроскопические петли и узелки разрастутся до размеров в сотни миллионов световых лет. Но какая-то часть струн сохранится до настоящего времени, полощась, как гигантские бельевые верёвки на ветру, на просторах Вселенной. Эти струны не будут наблюдаться в оптические или радиотелескопы, но, к счастью, есть ещё один способ их обнаружить. Дамур и Виленкин показали, что такие космические струны будет излучать гравитационные волны (волноподобные возмущения гравитационного поля), которые, возможно, удастся зафиксировать уже в следующем десятилетии.

Обнаружение таких струн среди звёзд стало бы триумфом теории струн.

Изучая эти космические суперструны, если они действительно существуют, мы могли бы очень многое сказать если не обо всём Ландшафте, то, по крайней мере, о нашей ближайшей его окрестности. Полчински с коллегами тщательно изучили условия, при которых клубок струн превращается во вселенскую сеть. Эти условия очень чувствительны к таким вещам, как размерность Ландшафта, наличие бран и потоков в компактифицированных измерениях и т. п. Возможно, вместо того чтобы строить всё более гигантские ускорители элементарных частиц, нужно просто внимательнее присмотреться к звёздному небу над головой?

Высокоэнергетическая физика

Астрономические и космологические наблюдения, вероятно, – дело будущего, а сегодня мы ещё не достигли пределов наших возможностей в лабораторных экспериментах. Самые большие надежды на получение в краткосрочной перспективе новых революционных сведений о Законах Физики всегда возлагались на высокоэнергетическую физику и её ускорители элементарных частиц. Возможно, мы уже приближаемся к пределу наших возможностей, но нет никаких сомнений в том, что мы сумеем раздвинуть границы наших знаний ещё по крайней мере на один порядок. Крупнейший в мире ускоритель и, вероятно, единственный достаточно большой, чтобы добыть для нас много новой информации, находится вблизи Женевы в Швейцария, в CERN’е (Европейский центр ядерных исследований). Он называется Большим адронным коллайдером, или БАК. Изначально он был задуман с целью изучения бозона Хиггса, но он также представляет собой идеальную машину для обнаружения суперсимметричных близнецов элементарных частиц.

В главе 8 я упомянул, что многие физики считают, что суперсимметрия поджидает нас буквально «за углом». Ещё 25 лет назад было выдвинуто предположение, согласно которому наличие суперсимметрии гарантирует, что гигантские квантовые флуктуации вакуума не приведут к возникновению огромной массы бозона Хиггса, которая обрушит Стандартную модель. Возможно, суперсимметрия действительно ждёт нас если не за ближайшим углом, то за следующим. Большинство физиков ожидают, что так оно и есть, по крайней мере такое впечатление создаётся при взгляде на количество публикаций по этой теме.

Но есть ещё одна возможность. Так же как и в ситуации с энергией вакуума (или с космологической постоянной), слишком большая масса бозона Хиггса привела бы к невозможности появления жизни в нашей карманной вселенной. Поэтому, возможно, решением является не суперсимметрия, а апелляция к антропному принципу. Если мир достаточно велик и Ландшафт достаточно разнообразен, то в каких-то отдельных областях Мегаверсума масса бозона Хиггса будет не слишком большой, чтобы предотвратить возможность появления жизни. Как и в случае с космологической постоянной, апелляция к суперсимметрии в этом случае окажется излишней.

Эти два объяснения не обязательно исключают друг друга. Возможно, что условием для того, чтобы масса бозона Хиггса в какой-то долине была мала, является существование рядом с ней, теперь уже буквально «за углом», другой, суперсимметричной долины. Возможно даже, что это условие характерно для всех долин с малой массой бозона Хиггса.

Или наоборот, может оказаться, что подавляющее большинство вакуумов с малой массой бозона Хиггса полностью лишены какой-либо суперсимметрии. Изучение Ландшафта всё ещё находится в зачаточном состоянии, и мы не знаем ответа на этот вопрос. Моё личное предположение состоит в том, что суперсимметрия не нужна, и я упоминал об этом в одной из статей. Но с тех пор я уже дважды поменял своё мнение, и, скорее всего, не в последний раз.

В попытке предсказать относительную вероятность обнаружения и необнаружения суперсимметрии мы снова приходим к проблеме меры. Возможно, мы должны на этом остановиться, но есть сильное искушение попытаться обойти препоны и прорваться вперёд. Такие теоретики, как Майкл Дуглас, Шамит Качру и другие, заняты разработкой методов, позволяющих подсчитать на Ландшафте количество разных мест с различными свойствами. Я имею в виду количество возможностей, а не количество реальных карманных Вселенных. Не имея никакой другой информации, мы могли бы прийти к выводу, что если количество антропно приемлемых вакуумов с нарушенной суперсимметрией намного больше, чем число вакуумов вообще без суперсимметрии, то существование нарушенной суперсимметрии в нашем мире весьма вероятно. Но проблема меры представляет собой ещё одного огромного слона в комнате, который тихо посмеивается над нами.

Несмотря на реальные трудности в проверке гипотезы существования Ландшафта, вечной инфляции и антропного принципа, есть много способов верификации теории. Математическая согласованность может не впечатлять прагматичных экспериментаторов, но не следует её недооценивать. Согласованные теории, объединяющие квантовую механику и общую теорию относительности, пока ещё не созданы, поэтому у теории струн практически нет конкурентов. А если альтернативы нет и при этом теория струн предсказывает существование богатого ландшафта, то населённый ландшафт становится принимаемым по умолчанию – так сказать, «теорией, задающей шаг».

Но отказываться от перспектив более прямой проверки теории, конечно же, преждевременно. Это правда, что теория и эксперимент обычно идут рука об руку, но это не всегда так. Потребовалось более двух десятилетий, прежде чем теория инфляции Алана Гута была подтверждена наблюдениями, а на первых порах почти все признавали его идею интересной, но абсолютно непроверяемой. Я думаю, что даже сам Алан был скептически настроен в отношении перспектив подтверждения своей теории.