Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

НОВОЕ ТЯГОТЕНИЕ

Выдающийся физик-теоретик прошлого века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман, по многим свидетельствам современников, был очень большим оригиналом. Это подтверждает и его знаменитый «Фейнмановский курс физики», полный новых подходов в изложении уже вроде бы устоявшихся разделов этой науки, и очень часто цитируемая книга «Характер физических законов». Раскрывая связь математики с физикой и анализируя всеобщность физико-математических представлений, выдающийся физик часто обращался к всемирному закону тяготения Ньютона. При этом он любил высказывать парадоксальное мнение, что со времен Ньютона мы ничего не достигли в постижении механизма тяготения.

Тут надо признать, что, как бы ни был своеобразен творческий стиль мышления Фейнмана, в данном случае его мысли полностью противоречат признанной истории физики. Ведь еще в начале прошлого века Альберт Эйнштейн открыл свою общую теорию относительности, создав новую теорию гравитации и наметив путь объединения всех известных взаимодействий с силами всемирного тяготения. Прежде всего это касается объединения теории относительности и квантовой механики. Возникла даже наука-кентавр — «квантовая космология». Она пока еще содержит много противоречий и неточностей, да и само ее право на существование признается далеко не всеми. При этом всегда следует учитывать, что теория относительности необходима для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика направлена на объяснение поведения субатомных частиц. К сожалению, пока еще эти теории во многом противоречат друг другу. Тем не менее «сверхновая космология» хорошо известна и ставит перед собой амбициознейшую цель объединить два полюса нашей реальности — уровень невообразимо малых квантов и так же трудно вообразимый космологический масштаб Метагалактики.

Как бы там ни было, но оптимистически настроенные физики-теоретики полны надежд, что пусть даже в отдаленном будущем квантовая космология перерастет в «Теорию теорий», связывающую между собой все силы, действующие во Вселенной, с помощью одного-единственного уравнения (рис. 16 цв. вкл.).

Тут я бы хотел приоткрыть некоторые «интимные подробности и секреты» внешне такой консервативной корпорации физиков-теоретиков. Оказывается, внутри «официальной физики», опирающейся на исторически сложившиеся и, самое главное, подтвержденные неисчислимым количеством опытов модели окружающего нас мира, бурлят нешуточные страсти. Там группы молодых еретиков всегда готовы опровергнуть все и вся, невзирая ни на какие авторитеты, и все это управляется вообще мало понятным для непосвященных поветрием под названием «модные направления исследований».

Вот и конец прошлого столетия ознаменовался возникновением двух остро модных и уже конкурирующих направлений в теории квантовой гравитации. У них, как и полагается «квантовым кентаврам», довольно необычные имена — «петлевая квантовая гравитация», более известная аббревиатурой «ПКГ» (тоже дань «физической моде») и «теория суперструн», она же «теория стрингов», она же «мембранная теория», она же «М-теория».

В теории ПКГ на субэлементарном уровне пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы равен кубу с ребром планковской длины (~10^-35 м).

Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых «виртуальных» частиц и неисчерпаемым океаном энергии (рис. 17 цв. вкл.).

Галактики, плывущие на волнах гравитации

Так что до сих пор у нас нет иной модели для теории гравитации, кроме математической. …Каждый новый наш закон — чисто математическое утверждение, притом довольно сложное и малопонятное. Ньютонова формулировка закона тяготения — это сравнительно простая математика. Но она становится все менее понятной и все более сложной по мере того, как мы продвигаемся вперед. Почему? Не имею ни малейшего понятия. Моя цель в том и состоит, чтобы лишь сообщить об этом факте. В нем и заключается смысл всей лекции: нельзя честно объяснить все красоты законов природы так, чтобы люди восприняли их одними чувствами, без глубокого понимания математики. Как ни прискорбно, но, по-видимому, это факт.

Объединить сверхмалый мир квантов и сверхбольшой мир всемирного тяготения, возможно, смогут исследования бездонных провалов черных дыр — застывших звезд-коллапсаров

Первое всеобщее объединение связано с построением квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности. Такое объединение оказалось довольно сложным, и один из его авторов, лауреат Нобелевской премии Поль Дирак, признавался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Следующим, более важным и сложным шагом должна быть связь гравитации и квантовой механики, но пока и здесь нет общепризнанных достижений. Каждый специалист предлагает свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для создания математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ

Вообще говоря, как бы ни были «сверхреволюционны» новые представления о полях и частицах, все они покоятся на общепризнанной и традиционной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие элементарных частиц напоминает знаменитую игру кембриджских и оксфордских студентов, которую они устраивали после ежегодной не менее знаменитой регаты. Две лодки вечных противников расходились на некоторое расстояние, и один из гребцов, выбранный по жребию, бросал своим соперникам бутылку шампанского. Те должны были поймать ее и тут же повторить бросок, и так далее, пока кто-нибудь не промахивался или не упускал бутылку. Вот если представить лодки обычными частицами, то бутылка шампанского отлично сыграет роль силового поля, будучи сама виртуальным аналогом «реальных частиц». В этом смысле элементарный акт квантового взаимодействия и есть виртуальная частица. Обычные частицы оказываются как бы закутанными в пышную шубу множества виртуальных частиц. Физики так и говорят: «виртуальная шуба».

С другой стороны, в научных популяризациях квантовой механики уже довольно давно сложился образ частиц-осцилляторов, неких шариков на пружинках. Эти шарики, атомы и частицы находятся в непрерывных колебаниях, а многие еще и вращаются вокруг своей оси. Их движение зависит от энергии, повышаясь с ростом температуры, но и при самой низкой из возможных температур во Вселенной — температуре абсолютного нуля — микроскопические жители нашего мира не останавливаются. Они продолжают двигаться, совершая так называемые «нулевые квантовые колебания». Вот такие сверхмаленькие непоседы!

Эти кручения и колебания микрочастиц настолько быстры, что буквально сливаются в размытую область кручения и верчения. Согласно принципу неопределенности «энергия — время»: ΔEΔt ≥ ħ, для частицы, «живущей» сверхмалый интервал времени Δt, энергия не может быть зафиксирована. Аналогично, частица с определенными координатами имеет соответствующий разброс по значениям импульса. Получается, что по квантовым законам энергия и импульс непрерывно флуктуируют, то есть их значения колеблются произвольным образом, и в течение сверхмалых промежутков времени закон сохранения энергии может «виртуально» нарушаться, а процессы, протекающие внутри сверхмалых объемов, могут сопровождаться «местными нарушениями» закона сохранения импульса. Это напоминает ситуацию с нечестным банковским кассиром, использующим кассу банка для своих нужд. Кассир всегда может взять какую-то сумму из кассы для покрытия своих расходов, ведь главное — вернуть ее в кассу через промежуток времени Δt до начала очередной банковской ревизии. Ну а если когда-нибудь кассир замешкается, превысит время Δt «одалживания» денег у своего банка и в результате проверки тут же попадет под домашний арест? Оказывается, он и тут сможет применить преимущества своего «стиля поведения», скажем, выскакивая из дома во двор на расстояние Δх и возвращаясь назад до того, как его отсутствие заметит полицейский. Главное здесь то, что с классической точки зрения все законы сохранения неуклонно выполняются, денежный баланс банка не нарушается, а арестованный безукоризненно выполняет свой режим содержания!

Это дает возможность по-новому взглянуть и на парадоксальную неопределенность явлений микромира, где все предсказания того или иного течения какого-либо процесса сводятся к своеобразным «статистическим гаданиям». Впрочем, лучше всего это мог бы проиллюстрировать отрывок из блестящей научной популяризации выдающегося физика прошлого века Г. Гамова «Приключения мистера Томпкинса»:

«Следя за катящимся шаром, мистер Томпкинс, к своему большому удивлению, заметил, что шар начал „расплываться“. Это было единственное выражение, которое пришло ему на ум при виде странного поведения бильярдного шара, который, катясь по зеленому полю, казался все более и более размытым, на глазах утрачивая четкость своих контуров. Казалось, что по зеленому сукну катится не один шар, а множество шаров, к тому же частично проникающих друг в друга…

Должно быть, игрок, нанесший удар по шару, был знатоком своего дела: катящийся шар столкнулся с другим шаром в лобовом ударе, как это и требовалось. Послышался громкий стук, и оба шара — покоившийся и налетевший (мистер Томпкинс не мог бы с уверенностью сказать, где какой шар) — разлетелись „в разные стороны“. Выглядело это, что и говорить, весьма странно: на столе не было более двух шаров, выглядевших несколько размазанно, а вместо них бесчисленное множество шаров (все — с весьма смутными очертаниями и сильно размазанные) поразлеталось по направлениям, составлявшим от 0 до 180 градусов с направлением первоначального соударения. Бильярдный шар скорее напоминал причудливую волну, распространяющуюся из точки соударения шаров. Присмотревшись повнимательнее, мистер Томпкинс заметил, что максимальный поток шаров направлен в сторону первоначального удара.

— Рассеяние S-волны, — произнесу него за спиной знакомый голос, и мистер Томпкинс, не оборачиваясь, узнал профессора.

— Неужели и на этот раз что-нибудь здесь искривилось, — спросил мистер Томпкинс, — хотя поверхность бильярдного стола мне кажется гладкой и ровной?

— Вы совершенно правы, — подтвердил профессор, — пространство в данном случае совершенно плоское, а то, что вы наблюдаете, в действительности представляет собой квантовое явление.

— Ах эти матрицы! — рискнул саркастически заметить мистер Томпкинс.

— Точнее, неопределенность движения, — заметил профессор…

— Вы заметили, что шары „расплываются“, — начал он. — Это означает, что их положение на бильярдном столе не вполне определенно. Вы не можете точно указать, где именно находится шар. В лучшем случае вы можете утверждать лишь, что шар находится „в основном здесь“ и „частично где-то там“.

— Все это в высшей степени необычно, — пробормотал мистер Томпкинс.

— Наоборот, — возразил профессор, — это абсолютно обычно в том смысле, что всегда происходит с любым материальным телом. Лишь из-за чрезвычайно малого значения квантовой постоянной и неточности обычных методов наблюдения люди не замечают этой неопределенности и делают ошибочный вывод о том, что положение и скорость тела всегда представляют собой вполне определенные величины. В действительности же и положение, и скорость всегда в какой-то степени неопределенны, и чем точнее известна одна из величин, тем более размазан на другая. Квантовая постоянная как раз и управляет соотношением между этими двумя неопределенностями. Вот взгляните, я накладываю определенные ограничения на положение этого бильярдного шара, заключая его внутрь деревянного треугольника.

Как только шар оказался за деревянным заборчиком, вся внутренность треугольника заполнилась блеском слоновой кости.

— Видите! — обрадовался профессор. — Я ограничил положение шара размерами пространства, заключенного внутри треугольника, то есть какими-то несколькими дюймами. И в результате — значительная неопределенность в скорости, шар так бегает внутри периметра треугольника!»

Вернемся теперь к теории гравитации Эйнштейна, гласящей, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно бы оказываются в гравитационном поле. Я тут не оговорился: именно «словно бы», ибо в ОТО Эйнштейна гравитационного поля в привычном нам понятии как бы и не существует, его заменяет искривление пространства-времени.

А что же тогда нам объясняют на школьных уроках физики? Вообще-то, говоря о гравитации Ньютона, школьные учителя (а часто и университетские профессора!) рассказывают нам о том, как мы воспринимаем с помощью понятия гравитационного поля истинную причину всемирного тяготения, кроющуюся в геометрии (математики говорят — топологии) нашего мира.

Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Соответственно, пустое релятивистское пространство-время является абсолютно ровным и гладким, представляя собой идеальную сцену для выступления вещества и энергии во вселенском спектакле. Проблема только в том, что для всех бесчисленных сценариев, которые постоянно предлагают теоретики, у Природы просто может не хватить ролей…

Черная дыра коллапсара

Хотя в настоящее время квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяются процессы, протекающие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства-времени, квантовая теория гравитации будет теорией квантового пространства-времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно-временная пена.

ТЕОРИЯ СТРИНГОВ

Однако на самые популярные, можно сказать даже — физически остромодные сценарии развития нашей действительности всегда есть большой спрос. Вот сейчас «звездами физической сцены», безусловно, являются те же суперструны. Конечно, физики-теоретики пока еще только «срежиссировали» первые серии грандиозного сериала под названием «Суперструнная квантовая гравитация». Тем не менее дальнейшее развитие сюжета обещает быть не менее захватывающим, чем в лучших образцах «мыльных опер».

Основная идея здесь состоит в том, что элементарные частицы — не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты — квантовые стринги или суперструны. Для дотошных читателей заметим, что вначале была просто «теория струн», но потом к ней добавили некую «суперсимметрию» и теперь в основном обсуждают именно «теорию суперструн». Обширное семейство разнообразных элементарных частиц отражено множеством возможных форм колебаний струны. Это очень просто понять, всего лишь представьте, что каждая элементарная частица — это звук, а все вместе они составляют жизнеутверждающую и жизнепорождающую симфонию нашего мира. Как же столь бесхитростная теория описывает сложный мир частиц и их взаимодействий? Секрет в так называемой магии квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне, вдоль которой колебания распространяются со скоростью света, у нее появляются новые свойства, тесно связанные с физикой элементарных частиц и космологией.

Изначально в теории струн видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков.

Модель суперструн

Стринги и браны

В ходе глубокой перестройки основ суперструнной теории физики добавили к одномерным струнам их пространственные аналоги с большим числом измерений. Двумерные объекты стали называть мембранами, или 2-бранами, трехмерные — 3-бранами, структуры с размерностью p — p-бранами. Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности — от 1 до 9. Однако одномерные струны все равно остаются главными: именно их вибрации и проявляют себя в виде элементарных частиц. А вот браны ограничивают свободу струнных движений, причем только струн со свободными концами.

НА ПУТИ К «ТЕОРИИ ВСЕГО»

Кварковая микрофизика носит название квантовая хромодинамика, поскольку связана с динамикой цветовых (хромо-) зарядов кварков. Она дает ученым эффективный способ описания сильных внутриядерных взаимодействий и прекрасно согласуется с экспериментальными данными, считаясь универсальной основой для фундаментальных объяснений микромира. Теория струн на фоне квантовой хромодинамики выглядит достаточно экзотично, не очень-то логически стройно и, самое главное, не имеет существенных экспериментальных подтверждений. Именно поэтому теорфизики долгое время не уделяли ей должного внимания. Затем мода на суперструнные построения вернулась, и их стали все чаще рассматривать как математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения, как первый шаг в объединении всех фундаментальных взаимодействий в будущей «теории всего» (рис. 18 цв. вкл.).

На пути к этому, конечно же, возникнут многочисленные новые модели пространства и времени (впрочем, их и сейчас более чем достаточно!). Вполне возможно, что среди них будут и удачные модели, которые помогут разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это грандиозная цель, и скорее всего для ее осуществления потребуется еще не одна научная революция, подобная той, что произошла в начале прошлого века. Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным результатам в математике, включая создание новых математических структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, часто можно встретить физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования во многих областях математики, например в алгебраической геометрии.

Теория струн началась со сверхмалых — «планковских» — масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10^-33 см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Так, в последние годы возникли идеи о том, что некоторые дополнительные измерения могут быть очень даже масштабными и даже стремиться в бесконечность. Конечно, мы не можем их воспринять по той простой причине, что сами заключены в трехмерном мире, который может входить как отдельная гиперповерхность во Вселенную с большим числом измерений.

Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Это, конечно, дело экспериментов отдаленного будущего. Хотя и сейчас есть идеи, что новые опыты по рассеянию элементарных частиц на сверхмощных ускорителях, подобных Большому адронному коллайдеру, могут привести к открытию «свернутых пружинок» новых параметров нашего мира. Да и сверхбольшие дополнительные измерения по идее должны приводить к очень интересным эффектам (рис. 19 цв. вкл.).

Теория струн предлагает и оригинальные космологические сценарии эволюции нашего мира, согласно которым Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего мира. Конечно, тут за скобками остается очень интересный вопрос о том, что предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке — зародыше нашей Вселенной. Следующий вопрос состоит в характере непосредственного влияния микро-, мезо-, макро- и мегасуперструн на эволюцию Вселенной, а также изменения при этом их физических характеристик.

Гипотезу мегасуперструн можно привлечь и для объяснения одной из главных загадок нашего Мироздания — перехода равномерного расширения Вселенной в ускоренное около восьми миллиардов лет назад. Может быть, в те невообразимо далекие времена что-то поменялось в характере взаимодействия суперструн с таинственной темной материей и с не менее загадочной темной энергией? Ведь, если квантовые стринги существуют, они так или иначе должны входить в контакт с основным «темным» содержимым Метагалактики.

Схема гравитационного линзирования

Космические струны могут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть на новых сверхчувствительных детекторах гравитационных волн.

ЧУДЕСА М-ТЕОРИИ

За свое полувековое существование суперструнная теория испытала много взлетов и падений. Неукротимое желание узнать, как устроена Природа на самых нижних этажах Мироздания, привело к тому, что в начале нашего века от нее отделилось новое направление, которое вскоре уже стало основным, — теория многомерных квантовых мембран (М-теория). Сейчас среди «наимоднейших» умозрительных построений М-теория занимает видное место, исследуя, по сути, те же струны, но в «плоской» модификации. Один из авторов «мембранного подхода», профессор Хуан Малдасена, как-то заметил, что мембраны отличаются от струн примерно так же, как лепешки от макарон.

Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Это единство очень привлекательно, и работа над построением полной квантовой М-теории интенсивно продолжается. Все же, несмотря на оптимистичные прогнозы, звучащие на «суперструнных» конференциях, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран — это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

В настоящей науке категорически запрещается строить проверку гипотез с помощью еще одних гипотез. К сожалению, теория квантовых стрингов здесь выглядит явным и очень неприятным исключением. Действительно, что прикажете делать молодым, рвущимся в бой физикам, если в окружающей реальности ни стринги, ни мембраны, не говоря уже о шрёдингеровских полуживых квантовых котах, ну никак себя не проявляют! И здесь в очередной раз палочкой-выручалочкой выступают одни из самых загадочных небесных тел нашей Метагалактики — черные дыры застывших звезд-коллапсаров (рис. 20 цв. вкл.).

Эти очень странные объекты буквально не сходят со страниц газет и журналов. Однако надо сразу же указать на одну большую нелепость, кочующую уже очень давно по средствам массовой информации. Черные дыры, как и кварки, не говоря уже о квантовых стрингах, — это гипотетические объекты. Таким образом, термин «коллапсар» без приставки «кандидат в» пока еще является грубым допущением или ошибкой, в зависимости от личного отношения к малопроверенным фактам. Разумеется, весь научный мир с восторгом воспримет достоверное сообщение о прямом наблюдении этих удивительнейших объектов и наверняка окажет авторам их реального открытия разные почести… но только после того, как….

Итак, не найдя ничего лучшего, обратимся к гипотетическим и очень парадоксальным замерзшим звездам. Коллапсары действительно могли бы стать вполне подходящими космическими лабораториями по изучению струнных (и не только!) теорий, поскольку эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр. Вообще говоря, сколлапсировавшие объекты теоретически должны быть вполне наблюдаемы в межзвездной среде, испуская тепловое излучение со своей мнимой поверхности, называемой горизонтом. Так как струнная теория, помимо всего прочего, еще и тесно связана с теорией квантовой гравитации, она по идее должна хорошо описывать состояние черных дыр. Итак, дело за малым — надо найти (открыть!) подходящую черную дыру, послать к ней флотилию космических исследовательских зондов и зафиксировать проявление квантовых струн и мембран. Просто и ясно!

Стринги и браны

Образ вибрирующей струны или мембраны как основы всех элементарных частиц довольно ясен, несмотря на сложный математический аппарат. Разумеется, необходимо всегда помнить о глубокой условности всех образов суперструнных моделей М-теории.

ЗАГАДКА СИНГУЛЯРНОСТИ

С помощью суперструн надеются найти ответы на мучающие их вопросы и космологи. Долгое время в популярных статьях, книгах и учебниках, рассказывающих о разных сценариях рождения нашего мира, подчеркивалось, что Вселенная возникла из космологический сингулярности — состояния с бесконечными физическими параметрами, а следовательно, не имеющего физического смысла. Спрашивать о том, что такое сингулярность Большого взрыва и что было до нее, считалось совершенно неприличным, даже чем-то говорящим о малообразованности спрашивающего… Когда я школьником прочитал нечто подобное, то, помнится, был весьма озадачен, поскольку тут же буквально на каждой странице утверждалось, что для науки нет нерешаемых вопросов…. И вот для пытливых и любознательных настали счастливые времена, когда мы наконец можем заглянуть за «железный занавес» сингулярности Большого взрыва.

Временная шкала, непосредственно примыкающая к некой условной точке «0» начала отсчета времени существования нашей реальности, полна загадочных событий. Стремящиеся в бесконечность плотности материи и энергии пока еще не могут быть описаны современной физикой. Тем поразительнее, что теория суперструн берет на себя немыслимую смелость моделировать не только сам момент Большого взрыва, но и предшествующее развитие событий. Существуют даже две модели, описывающие досингулярное состояние нашего мира. Одна из них основывается на известной симметрии обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. По такому космологическому сценарию Вселенная в определенный промежуток времени до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через подобный же интервал после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним оно ускорялось. Так Большой взрыв предстает не моментом возникновения Мироздания, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.

В ином варианте точка космологической сингулярности Большого взрыва предстает подобием центра симметрии, относительно которого Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если правы космологи, считающие, что расширение пространства-времени будет продолжаться неопределенно долго, до тех пор, пока вся материя не превратится в разряженный атомарный газ, то Вселенная так же бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный газ, содержащий в себе излучения и пылевидное вещество. Силы взаимодействия между частицами этого газа практически не существовали, однако с течением времени силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайные неоднородности первичного вещества вызывали эффект гравитационного «снежного кома», приводя к скапливанию протовещества, с последующим ростом плотности до критического значения начала гравитационного коллапса. Так начали образовываться первичные черные дыры.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр — не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. В момент такого поворота и возникает сингулярность космического катаклизма Большого взрыва. Получается, что если следовать такому суперструнному космологическому сценарию, то наш мир — это бывшая внутренность одной из страшных черных дыр.

Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, некоторые физики вполне обоснованно замечают, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теории квантовых мембран. Но их оппоненты возражают, что поскольку уравнения М-теории не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр, то формирование Вселенной внутри достаточно большого коллапсара является случайным событием. Если же считать, что характер поведения материи и самого пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва был хаотическим, то в таком хаосе вполне мог возникнуть достаточно плотный газ «мембранных протомикроколлапсаров» в виде сверхмикроскопических массивных мембран, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблем загадочной сингулярности и не менее таинственного первичного расширения пространства-времени в стандартной космологии Большого взрыва.

Другой популярный в научных кругах физиков-теоретиков космологический суперструнный сценарий носит название экпиротического (от греч. ekpyrotic — пришедший из огня). В нем предлагается модель досингулярной Вселенной как одной из мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. При столкновении таких мембран происходит множество прообразов нашего Большого взрыва, рождающих новые миры. Экпиротический сценарий имеет и циклический вариант, когда мембраны, сталкиваясь, отскакивают друг от друга и расходятся, затем снова притягиваются и соударяются, снова расходятся, — и так практически до бесконечности. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной может свидетельствовать о грядущем грандиозном катаклизме мембранного столкновения.

Сейчас уже можно сказать, что одной из главных проблем космологической теории квантовых суперструн является то, что она не может предсказать, какая именно Вселенная реализуется в реальности после тех же множественных столкновений мембран. Некоторые физики-теоретики настойчиво обращают внимание на то, что теория космических суперструн настолько неопределенна, что из ее различных вариантов можно получить любое конечное состояние нашего мира. Космологи комментируют этот парадокс с помощью своеобразного «научного заклинания»: «ландшафт суперсимметричных мембран качественно мультивариантен». Вообще говоря, это очень простая в переводе на «человеческий» язык фраза: любая теоретическая придумка найдет себе место в теории стрингов. А в «высокоинтеллектуальном» смысле это означает, что теория имеет критический уровень научной спекулятивности и ее вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно объяснить какой-нибудь модификацией суперструнной модели.

Однако было бы совершенно необоснованным считать, что физики-теоретики наслаждаются подобной ситуацией, с легкостью поглощая и тут же трансформируя в свою пользу любые контраргументы. Скорее наоборот, большинство из них с нетерпением ждут, что при внимательном изучении вопроса все же вскроется какой-то механизм сворачивания многомерных бран в наше привычное трехмерное пространство (теоретики любят называть его четырехмерным многообразием Минковского, имея в виду и временное измерение). Разумеется, поиск такого механизма представляет собой чрезвычайно сложную научную проблему, поэтому большинство исследователей надеются хотя бы отчасти «надрубить» данный «суперсимметричный» гордиев узел М-проблематики новыми экспериментальными фактами, с нетерпением ожидая сенсационных новостей с Большого адронного коллайдера.

За гранью Большого взрыва

Притягиваясь, мембраны сжимаются в направлении, перпендикулярном движению. Их соударение порождает начало Большого взрыва, преобразуя кинетическую энергию в материю и излучение. После удара мембраны расходятся и начинают расширяться, а материя проходит все стадии формирования от элементарных частиц до скопления галактик. В циклической модели силы притяжения замедляют движение расходящихся мембран, затем мембраны останавливаются и снова начинают сближаться, порождая новый Большой взрыв, — и так до бесконечности…===

ОТ ЧАСТИЦ К СТРУНАМ

Разумеется, никто не может лучше рассказать о теории суперструн, чем один из ее создателей, директор Института теоретической физики при Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре Дэвид Джонатан Гросс. В своей статье «От частиц к струнам» он довольно убедительно аргументирует, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Гросс пишет:

«Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает „нет“. Если бы у вас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц вы бы увидели в него протяженные струны. Согласно теории струн, базовыми составляющими материи являются не точечные частицы, а протяженные одномерные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.

Итак, теория струн видоизменяет подход к теории строения материи, заменяя фундаментальные частицы в роли первичных составляющих материи различными модами колебаний единственной протяженной струны. Однако во всем остальном теория струн не вносит радикальных изменений в начала физики. И это мудро. Принципиально изменить фундаментальный каркас физической науки очень непросто. Такие изменения — крайне редкое явление в истории физики. Со времен Ньютона до эпохи Эйнштейна и Гейзенберга радикальных изменений в физике было крайне мало. Большинство попыток изменить концепции и модифицировать фундаментальные законы физики противоречат либо экспериментальным данным, либо здравой логике. Любое видоизменение фундаментальных физических законов требует предельной осторожности. Следует видоизменять как можно меньшее число принципов. И теория струн пока что изменила концептуальную модель фундаментальной физики лишь в том смысле, что вместо точечных частиц в качестве первоэлементов мы теперь имеем струны».

В этом вопросе Гроссу возражает не менее видный физик-теоретик Ли Смолин, который в своей сенсационной книге «Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует» предостерегает от необоснованных ожиданий от теории струн в будущем. Профессор Смолин категоричен во мнении, что с помощью суперструн окончательно объединить все силы природы не удастся. И сейчас физикам требуется выработать новые концепции пространства и времени для решения застарелых парадоксов квантовой гравитации и космологии. Научные амбиции таких ученых, как Гросс и Брайан Грин, прославившийся своими бестселлерами «Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)» и «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности», вызывают у Смолина глубокие сомнения. Он считает, что молодые физики потеряют слишком много времени на блуждание в дебрях суперструнных теорий, беспочвенно пытаясь революционизировать наши представления о пространстве и времени. Между тем теория струн продолжает все дальше отдаляться от реальной физики окружающего мира, и единственная ее ценность состоит в создании новых математических структур, методов и идей, о которых математики раньше просто не задумывались. Именно поэтому математики и разработчики суперструнных теорий проводят так много совместных исследований в таких сугубо абстрактных разделах математики, как алгебраическая геометрия.

В свою очередь, Д. Гросс оппонирует Л. Смолину, что теория струн, кроме всего прочего, мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Он аргументирует это следующим образом:

«Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной броне — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к броне, в то время как есть и другие измерения, возможно даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации „экстрапространства“. Примечательно, что подобные умопостроения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем на LHC[LHC — Большой андронный коллайдер.], могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных мод струн в обычных частицах».

Смолин отвечает Грину и Гроссу следующим образом:

«Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстает перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими, как ее огромный размер и существование темной энергии, мы останемся примерно с 10 500 различными струнными теориями, — что означает единицу с 500 нулями после нее, больше, чем количество всех атомов в известной вселенной. С таким чудовищным числом теорий почти нет надежды, что мы сможем идентифицировать результат эксперимента, который не был бы выполнен в рамках одной из них. Таким образом, что бы ни показывал эксперимент, теория струн не может быть опровергнута. Но обратное тоже имеет место: не будет сделано когда-либо никаких экспериментов, которые смогли бы проверить ее правильность.

В то же время мы очень мало понимаем в большинстве из этих теорий струн. И лишь малое число мы понимаем во всех деталях, каждая такая отдельная теория расходится с сегодняшними экспериментальными данными обычно по меньшей мере в двух отношениях.

Так что мы стоим перед парадоксом. Те теории струн, которые мы знаем, как изучать, известны как ошибочные. Те же, которые мы не можем изучить, мыслятся существующими в таких гигантских количествах, что ни один мыслимый эксперимент никогда не сможет их все опровергнуть.

Это не единственная проблема. Теория струн покоится на нескольких ключевых предположениях, для которых имеются некоторые основания, но нет доказательств. Даже хуже, после всех научных усилий, потраченных на ее изучение, мы все еще не знаем, имеется ли полная и последовательная теория, которая как раз и могла бы отзываться на имя „теория струн“. Фактически то, что мы имеем, совсем не является теорией, а лишь большой коллекцией приблизительных расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, каковы ее фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена — возможно, в будущем должен быть изобретен новый язык, чтобы описать ее. В отсутствие обоих фундаментальных принципов (подтверждаемость, фальсифицируемость) и математической формулировки мы не можем сказать, что мы даже знаем, что провозглашает теория струн».

Прислушиваясь к дискуссии этих видных физиков-теоретиков современности, нам, конечно же, хочется верить, что теория струн, так или иначе, откроет нам новые стороны окружающей объективной реальности, заполнив Вселенную космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Хотя, с другой стороны, понятно, что обычно струны крайне малы — их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, требуется поистине космическая энергия. И опять же, если считать, что наш мир возник в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка, то изначальные «зародыши» суперструн вполне могли «взрослеть» вместе со всей остальной Вселенной, раздуваясь и растягиваясь.

Д. Гросс теоретизирует на эту тему следующим образом:

«Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний».

Справедливости ради предоставим все же заключительное слово в этой бурной полемике, идущей уже не одно десятилетие, своеобразному «адвокату дьявола», роль которого так хорошо подходит д-ру Л. Смолину:

«Теория струн в тех пределах, в которых она понята, постулирует, что мир фундаментально отличается от мира, который мы знаем. Если теория струн верна, мир имеет больше измерений и намного больше частиц и сил, чем мы до сих пор наблюдали. Многие струнные теоретики говорят и пишут так, как если бы существование этих дополнительных измерений и частиц было установленным фактом, в чем не может не сомневаться хороший ученый. Неоднократно струнные теоретики говорили мне нечто вроде „Но ты имеешь в виду, что ты полагаешь возможным, что нет никаких дополнительных измерений?“. Фактически ни теория, ни эксперимент не предлагают совсем никаких доказательств существования дополнительных измерений. Одна из целей этой книги заключается в демистификации утверждений теории струн. Идеи прекрасны и хорошо мотивированы. Но чтобы понять, почему они не привели к большему прогрессу, мы должны точно выяснить, что поддержано доказательствами, а что все еще нет.

Поскольку теория струн является таким высокорисковым предприятием, — не поддержанным экспериментом, хотя очень щедро поддержанным академическими и научными сообществами, — имеются только два пути окончания этой истории. Если теория струн окажется верной, струнные теоретики окажутся величайшими героями в истории науки. На основе горсти рассуждений, — ни одно из которых не имеет недвусмысленного прочтения, — они смогли открыть, что реальность намного более безбрежна, чем это раньше воображалось. Колумб открыл новый континент, неизвестный королю и королеве Испании (равно как испанские монархи были неизвестны жителям Нового Света). Галилей открыл новые звезды и луны, а затем астрономы открыли новые планеты. Все это побледнеет перед открытием новых измерений. Более того, многие струнные теоретики верят, что мириады миров, описываемых гигантским числом струнных теорий, реально существуют — как другие вселенные, которые нам невозможно увидеть непосредственно. Если они правы, мы видим намного меньшую часть реальности, чем часть земли, которую когда-либо видела любая группа обитателей пещеры. Никто в человеческой истории не мог когда-либо точно догадаться о таком огромном расширении известного мира».