Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Как я пошутила в книге «Закрученные пассажи», большинство попыток приблизить теорию струн к реальности явственно отдает пластической хирургией. Чтобы согласовать теорию струн с реалиями нашего мира, теоретикам приходится прятать то, чего здесь быть не должно, удалять частицы и скромно убирать с глаз долой лишние измерения. Но, несмотря на то что получившийся в результате комплект частиц иногда поразительно похож на правильный, всегда можно разглядеть, что похож‑то он похож, да не совсем.

В последнее время попытки приблизить теорию струн к реальности чем‑то напоминают кастинг актеров. Ну и что, что большинство явившихся на прослушивание девиц играть не умеет, а у некоторых лица не выражают никаких эмоций. Если как следует поработать и устроить достаточно прослушиваний, в конце концов вполне может появиться красивая, талантливая и очень перспективная актриса.

Точно так же некоторые идеи теории струн основаны на том, что наша Вселенная представляет собой редкое, но идеальное сочетание всех составных частей. Даже если теория струн сумеет в конце концов объединить все известные взаимодействия и частицы, может оказаться, что в ней присутствует единственный стабильный бассейн, представляющий конкретный набор частиц, сил и взаимодействий, или, что вероятнее, более сложный ландшафт с множеством возможных холмов и долин и соответственно множеством разнообразных следствий.

Судя по недавним исследованиям, теория струн может проявлять себя во множестве возможных вселенных — в сценарии, соответствующем варианту мультивселенной. Разные вселенные могут находиться так далеко друг от друга, что никогда не взаимодействуют — даже через силу тяготения — за все время своего существования. В этом случае каждая из вселенных может развиваться по собственному пути, а мы окажемся лишь в одной из них.

Если бы такие вселенные существовали, а способов заселить их у нас не было, то мы с полным основанием могли бы игнорировать все вселенные, кроме собственной. Но космологическая эволюция по крайней мере обеспечивает способы создания их всех. А разные вселенные могут обладать существенно разными свойствами; в них все может быть разным: вещество, типы взаимодействий, энергия.

Некоторые физики используют идею ландшафта вкупе с антропным принципом, чтобы попытаться обойти один из особенно неприятных вопросов теории струн и физики элементарных частиц. Суть антропного принципа заключается в том, что поскольку мы обитаем во Вселенной, допускающей существование галактик и жизни, то определенные параметры должны принимать (по крайней мере, примерно) именно те величины, которые они и имеют в реальности, в противном случае задаваться этими вопросами было бы просто некому. К примеру, наша Вселенная не могла обладать такой высокой энергией, чтобы расширяться с большей скоростью — так, чтобы вещество не успело сконденсироваться в различные космические объекты.

В таком случае нам нужно определить, какие физические особенности, если таковые имеются, выделяют одно–единственное сочетание частиц, сил и энергий (а именно наше) из всех возможных. Мы ведь даже не знаем, какие свойства должны быть предсказуемыми, а какие попросту необходимы для того, чтобы мы жили на Земле и могли обсуждать научные проблемы. Какие свойства имеют фундаментальные объяснения, а какие случайны и определяются местными условиями?

Лично я считаю, что ландшафт из множества возможных конфигураций, где мы могли бы в принципе существовать, вполне возможен, потому что у любой системы уравнений гравитации, которые мы в состоянии придумать, существует множество возможных решений; я не вижу ни одной причины, по которой то, что мы видим вокруг, было бы единственным и неповторимым. Но антропный принцип как средство объяснения наблюдаемых явлений меня не удовлетворяет. Проблема в том, что мы никогда не знаем, достаточно ли для этого одного только антропного принципа. Какие явления мы по идее должны точно предсказывать, а какие определяются просто обстоятельствами? Помимо всего прочего, антропный принцип невозможно проверить. Он может оказаться верным. Но мы всегда готовы от него отказаться, если найдется более фундаментальное и проверяемое объяснение.

Теория струн, скорее всего, содержит немало глубоких и перспективных идей. Она уже помогла нам заглянуть краешком глаза во владения квантовой гравитации и математики и обеспечила интересными ингредиентами для построения новых моделей. Но, скорее всего, пройдет еще немало времени, прежде чем мы сможем в достаточной мере разобраться в теории, чтобы ответить на самые интересные для нас вопросы. Вывести следствия теории струн для нашего реального мира просто так, на основании чисто теоретических построений, может оказаться слишком сложно. Даже если на базе теории струн в принципе можно построить удачные модели, отыскать их будет очень трудно из‑за множества избыточных элементов.

Модельный подход в физике подпитывается интуитивным ощущением того, что энергии, при которых теория струн способна делать конкретные прогнозы, слишком далеки от нас и совершенно недоступны. Как и в ситуации со многими другими явлениями, которые на разных масштабах описываются по–разному, очень может быть, что механизмы, отвечающие за загадки физики элементарных частиц, лучше всего изучать на релевантных энергиях.

Физики стремятся к общей глобальной цели, но мнение о том, как лучше всего этой цели достичь, у каждого свое. Я предпочитаю модельный подход, потому что экспериментальные данные, которые, возможно, будут получены в ближайшее время, дадут новую пищу для оценки и построения моделей. Мы с коллегами иногда пользуемся идеями из теории струн, а некоторые из наших исследований имеют для теории струн непосредственное значение, но применение теории струн само по себе не является нашей главной целью. Наша цель — разобраться в проверяемых явлениях. Модели можно описывать и проверять экспериментально, даже если они никак не связаны с самыми фундаментальными физическими теориями.

Авторы моделей прагматично признают, что мы не в состоянии вывести все сразу. Предположения, на которых основана модель, могут быть частью фундаментальной теории, а могут просто освещать новые отношения, базирующиеся на еще более глубоких теоретических основаниях. Модели — это эффективные теории. Если верность какой‑то модели подтверждается экспериментально, то эта модель может указать специалистам по теории струн направление новых исследований. Приверженцы построения моделей, в свою очередь, уже черпают — и не без пользы — из богатого набора идей, выработанных на основе теории струн.

Но модели в первую очередь сосредоточиваются на относительно низких энергиях и экспериментах, исследующих эти энергетические диапазоны.

Модели, выходящие за рамки Стандартной модели, включают в себя также и ее компоненты как результат действия модели на уже исследованных уровнях энергий; но, помимо этого, они работают с новыми силами, новыми частицами и новыми типами взаимодействия, которые можно зарегистрировать только на малых расстояниях. Даже в этих условиях полностью согласовать модель с явлениями реального мира очень трудно, и в процессе согласования результирующая точная модель, как правило, теряет значительную долю своей первоначальной элегантности. Поэтому авторы моделей внимательно следят за появлением новых идей.