«Топология Вселенной скучновата, поскольку она, скорее всего, совершенно тривиальная. Потому что Вселенная - плоская», - сказал нобелевский лауреат по физике Дэвид Гросс. Более того, по современным представлениям ученых, разрабатывающих так называемую теорию струн (или суперструн), которая претендует на то, чтобы стать теорией всего, Вселенная имеет девять-десять пространственных измерений и одно временное. Между прочим, Альберт Эйнштейн тоже высказывал предположение, что мы живем в плоском мире. Но сам же его отмел.
Современная физика покоится на двух столпах, описывающих четыре фундаментальные силы, которые действуют в природе, - электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия и гравитацию. Один из них - общая теория относительности Эйнштейна. Она дает теоретическую основу для понимания Вселенной в ее наиболее крупных масштабах - звезд, галактик, скоплений галактик и черных дыр. Другой столп - квантовая механика, представляющая собой теоретическую базу для понимания Вселенной в ее наименьших масштабах — молекул, атомов и субатомных частиц, таких как электроны и кварки. За годы исследований физики с невообразимой точностью экспериментально подтвердили практически все предсказания каждой из двух теорий. Но проблема в том, что общая теория относительности и квантовая механика не могут быть справедливы одновременно.
Теория струн была открыта случайно. В 1968 году молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано пытался описать, как взаимодействуют между собой частицы атомного ядра -- протоны и нейтроны. У ученого появилась блестящая догадка. Он понял, что многочисленные свойства частиц в атоме может описать одна математическая формула (бета-функция Эйлера). Она была придумана 200 лет назад швейцарским математиком Леонардом Эйлером и относилась к расчетам интегралов в математическом анализе. Венециано ее использовал, она подошла кстати, но теоретик не понимал, почему она работает в квантовой механике. Физический смысл формулы в 1970 году смогли раскрыть американские ученые Йоиширо Намбу, Леонард Сасскинд, а также их датский коллега Хольгер Нильсен. Физикам удалось показать, что при представлении элементарных частиц в качестве маленьких колеблющихся одномерных струн их сильное взаимодействие описывается функцией Леонардо Эйлера. И если отрезки струн являются достаточно малыми - в среднем их размер сопоставим с планковской длиной (то есть десять в минус 35-й степени метра), - то они по-прежнему будут выглядеть как точечные частицы, а значит, не будут противоречить результатам любых экспериментальных наблюдений.
Согласно теории струн, наблюдаемые характеристики всех элементарных частиц определяются конкретной модой резонансного колебания внутренних струн. Как считалось ранее, различия между фундаментальными частицами обусловлены тем, что они как бы отрезаны от разных кусков ткани. Хотя частицы считались элементарными, предполагалось, что они все-таки состоят из различного материала. Так, например, материал электрона имел отрицательный электрический заряд, а нейтрино, соответственно, был электрически нейтральными. Но теория струн радикально изменила картину мира и представления многих ученых, объявив, что материал всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Каждая элементарная частица состоит из отдельной струны, точнее, каждая частица представляет собой отдельную струну, и все струны являются абсолютно идентичными. Различия между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными, скажем так, нотами, исполняемыми на фундаментальной струне.
Несмотря на то что у теории струн существуют две трудноразрешимые проблемы, она единственная, которая увязывает квантовую механику и общую теорию относительности. Первая состоит в том, что мы живем в мире десяти или даже 11 измерений. Мы ощущаем четыре: три пространственных измерения (длина, ширина и высота) и одно временное. Ученые считают, что другие шесть-семь измерений находятся в скрученном состоянии. Представим себе канат, соединяющий два столба. Если смотреть на него издалека, мы увидим тонкую линию. На канате живет муравей. Так как мы стоим на большом расстоянии, нам кажется, что муравей бегает только влево-вправо вдоль каната. Сам канат для нас выглядит одномерным объектом. Но если мы посмотрим на канат вооруженным взглядом (через бинокль), то поймем, что у муравья есть два направления для прогулок: вдоль по канату и вокруг его оси - по часовой стрелке и против. Значит, поверхность каната имеет два измерения. Подобным образом ученые объясняют, как скручены невидимые измерения.
Вторая проблема - техническая. У теории струн нет законченного варианта. Она не приведена в строгий математический вид. А проверить ее экспериментально не представляется возможным даже на Большом адронном коллайдере. Как отмечает американский ученый Брайан Грин, без радикальных прорывов в технологии физика не сможет получить доступ к ультрамикроскопическому масштабу расстояний, необходимому для прямого наблюдения струн. На ускорителе размером несколько километров ученые могут проводить исследования на расстояниях порядка одной миллиардной от одной миллиардной доли метра. Но изучение меньших расстояний требует более высоких энергий и более крупных ускорителей, способных сфокусировать достаточное количество энергии на отдельных частицах. Поскольку планковская длина на 17 порядков меньше, чем длины, которые сегодня может исследовать наука, для того чтобы увидеть струну при использовании современных технологий, потребуется ускоритель размером с галактику. Впрочем, как показал израильский физик Шмуль Нусинов, такая оценка основана на линейной экстраполяции и является оптимистичной. И нужен ускоритель размером во всю Вселенную.
Как говорит Дэвид Гросс, теория струн мотивировала новые умозрительные идеи в физике, стимулирующие новые эксперименты. Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. «Первоначально мы считали дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованными в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы ученые осознанали, что некоторые из дополнительных измерений могут, напротив, быть масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной бране - гиперповерхности в мире с большим числом измерений, - утверждает Гросс. - Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Не исключено, что мы привязаны к бране, в то время как есть и другие измерения, возможно, бесконечные».
Одна из самых интересных идей, продолжает нобелевский лауреат, заключается в том, что Вселенная заполнена космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Обычно струны крайне малы. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась колоссальная энергия. Но, согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, наблюдаемая Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания пространства струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную. Такие струны должны флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой.
Если уравнения, которыми пользуются ученые, показывают, что Вселенная имеет девять-десять пространственных измерений и одно временное, то возникает вопрос: почему всего четыре являются развернутыми и протяженными, а все остальные - маленькими и свернутыми? Почему все они не являются развернутыми или почему все они не являются свернутыми, или почему не реализовался какой-то промежуточный вариант? Точного ответа, разумеется, никто не знает. Но гипотеза у физиков имеется. В первый момент существования Вселенной в неразберихе высоких, но конечных температур все циклические измерения пытались расшириться. В границах исходных планковских размеров (десять в минус 35-й степени метра) их сдерживали намотанные струны. Однако случайная температурная флуктуация привела к тому, что три из всех измерений стали больше. Есть любопытная версия, что до Большого взрыва существовала доисторическая Вселенная. Она не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все ее точки стали стремительно разбегаться.
Есть, наконец, версия, рассматривающая черные дыры как зачатки будущих Вселенных с разными свойствами. А согласно теории Андрея Линды, условия для возникновения инфляционного расширения могли создаваться многократно в рассеянных по пространству изолированных областях, каждая из которых затем проходила свою стадию расширения и формировала свою Вселенную. И в каждой из них процесс продолжается: в удаленных областях старых Вселенных появляются ростки новых, и паутина расширяющихся миров продолжает разрастаться вплоть до бесконечности.
Как отмечает Дэвид Гросс, чтобы завершить построение теории всего, ученым нужно понять, каким образом, подобно пространству, зарождается время. А, например, то обстоятельство, что измерения времени тоже могут быть скручены, воспринимаются наукой как предположения из области фантастики. Хотя роль физики, как известно, в том, чтобы предсказывать будущее на основе изучения настоящего и прошлого.
Публикация подготовлена на основе лекций Дэвида Гросса и книги Брайана Грина «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски».
Печатную версию материала читайте в газете "Воронежский Курьер".
