Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Так что теория струн – это теоретическая основа, не подтвержденная наблюдениями. Красота идеи в том, что вся физика, которую мы наблюдаем, происходит от различных типов вибрации струн. Если же углубиться в математическое представление этой теории, появляется еще один странный и неожиданный вывод. Уравнения не работают, если в нашей вселенной только три пространственных измерения. Нужно больше измерений в пространстве, чем влево/вправо, вперед/назад и вверх/вниз.

Как это может быть? Дело в том, что другие измерения, которых требует математика теории струн, могут быть втиснуты в очень маленький размер, настолько маленький, что мы не видим их. Представьте садовый шланг. Издалека он выглядит, как линия. С близкого же расстояния видно, что вокруг нее обернут дополнительный элемент. Издалека вы его не видите, потому что он слишком маленький.

Эта идея, возможно, применима к теории струн. Позвольте показать вам наглядно.

Все мы знаем про обычные три измерения – вверх – вниз, влево – вправо, вперед – назад, но если пойти глубже в ткань пространства, можно найти дополнительные свернутые измерения. Они известны как многообразия Калаби – Яу, Риччи-плоские многообразия, Кэлеровы многообразия, комплексные Кэлеровы многообразия первого класса Черна. Но не беспокойтесь о технических деталях.

Как видно, струны настолько малы, что могут вибрировать в этих дополнительных измерениях. Посмотрите, как переплетения и складки в этих измерениях влияют на вибрацию струн. Это чрезвычайно важно, потому что в теории струн от вибрации зависят физические свойства, которые мы наблюдаем – масса частиц, сила взаимодействий, даже количество темной энергии. Так что, если бы мы в точности знали, как выглядят другие измерения, то могли рассчитать, скажем, количество темной энергии.

Что можно извлечь из этого понимания? Нужно постараться внимательно рассмотреть эти дополнительные измерения и рассчитать результирующие физические свойства, а затем сравнить их с наблюдениями.

В 1980-х, когда я был старшекурсником, было известно только пять форм, которые удовлетворяли уравнениям теории струн. В моей диссертации я взял один из этих вариантов, произвел необходимые вычисления, сделал физические предсказания. Затем мы сравнили их с наблюдениями и выяснилось, что это не работает. Расчетные физические свойства не совпадали с наблюдениями. Тогда мы сказали: «Давайте посмотрим на другую форму, возможно, предсказания по ней совпадут с наблюдениями». Однако к тому моменту список найденных вариантов вырос до нескольких тысяч. Впрочем, несколько тысяч было бы еще не страшно, должны же старшекурсники что-нибудь делать.

Но когда мы вошли в 1990-е, в 2000-й год и далее, нашлось еще больше подходящих вариантов. Сейчас счетчик стоит на отметке 10500 форм. Это много – куда больше, чем частиц в наблюдаемой вселенной. Столько никогда не изучишь последовательно. Что же делают ученые? Сторонники теории струн разделились на три основные группы. Первые говорили, что эта теория никогда не даст точных предсказаний, потому что неизвестно, какой вариант формы дополнительных измерений выбрать. А без точных предсказаний теорию можно просто выбросить в мусорную корзину. Такая реакция, без сомнения, заслуживает уважения. Другие сказали, что если продолжать работать, можно найти математическое уравнение, которое позволит выбрать нужный вариант. Но этого пока не случилось.

Третья реакция выглядела так: «Математику следует принимать всерьез. Может быть, нет единственного верного варианта. Может быть, все варианты верные. Нам не нужно искать уравнение для выбора единственного варианта для нашей единственной вселенной. Может быть, все эти варианты имеют право на существование, и в мультивселенной у каждой вселенной – свой вариант формы дополнительных измерений, и свое количество темной энергии».

Сила этого утверждения в том, что объяснение странной величины – количества темной энергии – больше не будет представлять проблему, потому что любое мыслимое количество темной энергии, где-нибудь в огромной мультивселенной да реализуется. Выражу это в терминах моего сына. Раз я рассказал об одном ребенке, нужно рассказать и о другом, иначе жди беды. Когда моему сыну было четыре с половиной, мы пошли в обувной магазин, выбрали на полке его любимые ботинки, продавец вышел, вернулся, надел ему ботинки, мы расплатились и пошли. Все хорошо. Пока мы шли домой, сын повернулся ко мне и сказал: «Как удачно, что у них был мой размер». И я понял, что он не понимает, как работает обувной магазин. С его точки зрения, произошло нечто таинственное – каким образом в магазине оказались ботинки именно его размера? Он не понимал, что в магазине есть склад с ботинками всех размеров. Когда я по случаю объяснил это ему, тайна растворилась в воздухе. Конечно, у них был его размер, у них есть все размеры.

То же и здесь. Если в мультивселенной есть вселенные со всеми возможными значениями темной энергии, значит, это мультивселенная с большим складом. Наша вселенная должна быть там, потому что это одно из возможных значений. Тогда картина выглядит так. Если мы оторвемся от Земли, выберемся из Солнечной системы и отправимся дальше за пределы галактики Млечный Путь и за пределы нашей вселенной, мы обнаружим, что наша вселенная – одна из множества в огромной мультивселенной. И если мы изучим каждую из этих вселенных, мы увидим, что у каждой дополнительные измерения имеют свою форму.

Различные варианты формы определяют, как вибрируют струны, и дают разные величины для количества темной энергии. Наше значение – лишь одно из огромной коллекции величин, присутствующих в мультивселенной. Так что, как видите, это позволяет сменить вопрос. Это больше не вопрос объяснения малого количества темной энергии, которое мы наблюдаем. Новый вопрос, который теперь имеет значение: «Почему мы в этой вселенной, а не в какой-нибудь другой?»

А это вопрос, на который мы можем ответить, потому что, если рассмотреть вселенные, в которых намного больше темной энергии, чем в нашей, можно понять, что отталкивание в них было бы настолько сильно, что ничего бы не сгущалось, не было бы никаких галактик. В такой вселенной мы совсем не могли бы жить. А если рассмотреть вселенную, где темной энергии намного меньше, скажем, отрицательное количество, станет ясно, что такие вселенные сами по себе очень быстро коллапсируют, и в них не хватит времени, чтобы могла развиться жизнь. Это и будет объяснением для наблюдаемого в нашей вселенной количества темной энергии. Для тех, кому такой логический путь кажется некомфортным, отмечу, что рассуждения подобного рода мы используем постоянно для самых разных ситуаций.

Давным-давно Кеплер пытался объяснить, почему Земля находится на определенном расстоянии от Солнца, как мы знаем сегодня – 93 миллиона миль. Сначала он хотел рассчитать эту цифру исходя из фундаментальных принципов, из уравнений. Он не смог этого сделать, и мы знаем, что тому есть причина. Кеплер задавал неправильный вопрос. Есть множество планет на разном расстоянии от их звезд, и нет никакого фундаментального объяснения тому, что мы находимся на расстоянии 93 миллиона миль от нашей. Вместо этого правильный вопрос состоит в том, почему мы, человеческие существа, живем на планете, которая находится на расстоянии 93 миллиона миль от такой звезды, как наше Солнце.