Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Здоровая наука – это сочетание смирения и надежды. Мы должны смириться с размерами нашего незнания, но при этом надеяться, что новые открытия смогут пролить на него немного света. Однако если мы находимся на самой границе познания нового, но не можем получить подтверждающих данных, нашей единственной стратегией остаются обоснованные предположения. Без воображения наука не может двигаться вперед.

Было бы упущением с моей стороны не рассказать о вкладе теории струн в понятие Мультивселенной. Несколько моих коллег, приверженцев этой теории, написали о ней ряд популярных работ, на которые я ссылаюсь в библиографии. Тем читателям, которые хотели бы узнать больше о теории струн, я в первую очередь рекомендую книги Брайана Грина и Леонарда Сасскинда. Для всех остальных же будет достаточно и следующих глав этой книги.[73]

Для того чтобы теория суперструн имела математический смысл, струны должны существовать более чем в трех измерениях. Это создает для теории определенные затруднения, ведь теперь она должна дополнительно объяснить, почему мы видим всего три из этих измерений. Кроме того, важно знать, сколько их всего. Четыре, пять, двадцать? Теория струн вводит понятие новой симметрии Вселенной – суперсимметрии. Я уже упоминал ее, когда мы обсуждали темную материю, но сейчас настало время поговорить о ней более подробно. Насколько нам известно, в Природе существует два типа частиц – те, из которых состоит материя (электроны, кварки и некоторые другие), и те, которые переносят силы (фотоны для электромагнитных сил, гравитоны для гравитации, менее известные глюоны, удерживающие кварки внутри протонов и нейтронов, и тяжелые частицы Z0, W+ и W—, переносчики слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад). Суперсимметрия означает, что частицы материи могут превращаться в частицы силы и наоборот. В результате, каждая частица имеет своего «суперсимметричного партнера»: у электрона он будет называться селектроном, у любого из кварков – скварком и т. д.

У вас мог возникнуть вопрос: зачем кому-то понадобилось удваивать количество элементарных частиц в Природе? Ответ (и изначальный толчок к введению понятия суперсимметрии в середине 1970-х) состоит в том, что теории суперсимметрии могут объяснить, почему пустое пространство имеет нулевую энергию. Если бы это было не так, если бы в космосе имелась какая-то остаточная энергия, она бы действовала как космологическая постоянная, ускоряющая расширение Вселенной. В середине 1970-х ученые еще не располагали доказательствами существования расширения, поэтому и ввод подобной постоянной был невозможен. Темная энергия была открыта в 1998 году, и до этого момента предполагалось, что космическая постоянная равна нулю. Суперсимметрия предлагалась в качестве объяснения того, почему это так.

Проблема состояла в вакууме (так физики называют состояние отсутствия каких бы то ни было частиц). Вакуум – это пустое пространство и максимальное физическое приближение к понятию «ничто». Но квантовая физика все усложняет. Как вы можете помнить, основное ее положение состоит в том, что все колеблется – положение частицы, ее скорость и энергия. Даже если пустое пространство вообще не имеет энергии, квантовые флуктуации могут периодически подталкивать уровни энергии выше нуля. В регионах с избытком энергии могут периодически возникать частицы, так как в соответствии с уравнением E = mc2 энергия может превращаться в массу. Такие частицы возникают и исчезают, как пузыри на кипящем супе. Если суммировать крошечные квантовые эффекты по всему космосу, мы получим огромную добавку к энергии. Суперсимметрия подавляет такие флуктуации, заставляя энергию пустого пространства исчезнуть. Таким образом, она объясняет, почему космологическая постоянная равна нулю. Но теперь, когда нам известно о темной энергии, мы знаем, что это не так! С 1998 года ученые больше не могли использовать суперсимметрию для объяснения отсутствия вакуумных флуктуаций.

Объяснение небольших значений – это довольно сложная задача в физике. Тем не менее у теории суперсимметрии есть и другие точки приложения. Например, она может объяснить, почему масштаб, с которым частицы получают массы под воздействием бозона Хиггса, намного (почти в 16 раз) меньше, чем масштаб, при котором наблюдаются колебания пространства-времени в результате квантовых эффектов. Кроме того, она может предложить некоторые объяснения темной материи. В связи с этим, несмотря на отсутствие свидетельств ее существования (эксперименты, направленные на поиски предсказанных ей частиц, ничего не выявили), суперсимметрия все еще остается прочно укоренившейся в умах многих физиков.

Но вернемся к струнам. Если совместить их с суперсимметрией, то можно легко установить количество пространственных измерений, в которых могут существовать суперструны. Всего таких измерений девять. В данный момент существует пять возможных теорий струн. Физик-теоретик из Института перспективных исследований Эдвард Виттен показал, что все их можно объединить в одну, если добавить еще одно измерение. Эта новая теория получила название «М-теория».[74]

Итак, если в основе Природы лежат струны, это значит, что еще целых шесть измерений остаются для нас невидимыми. Как такое возможно? Этому достаточно новому для науки вопросу была посвящена моя докторская диссертация и некоторая часть работы в постдокторантуре. В частности, если мы попытаемся совместить теорию суперструн с теорией Большого взрыва, как объяснить, что три измерения разрослись, а остальные шесть остались в своем первоначальном виде? Было предложено множество моделей, большинство из которых содержало в качестве причины силу притяжения между частицами, порождаемыми вибрациями струн. Именно это притяжение и должно было удерживать другие измерения в их изначальном виде. Так как у нас все еще нет единого кандидата на роль теории суперструн, то и ответить на этот вопрос мы не можем. Последние идеи основываются на том, что некоторые измерения слишком малы по сравнению с другими (также недоступными для наблюдения). Другие предполагают, что дополнительные измерения очень велики и пронизывают собой все, а мы живем в пространстве (в бране) между ними, словно на куске тоста, зависшем в воздухе. Лиза Рэнделл, мой друг с ранних лет существования экстрамерной космологии и первая женщина, получившая должность профессора теоретической физики в Гарвардском университете (долго же они ждали), написала книгу о концепции браны, которую она разработала совместно с Раманом Сандрумом в 1999 году.[75]