Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

На самом деле эта проблема присуща не только теории струн. Например, сколько существует решений для уравнений Ньютона или Максвелла? Их число бесконечно и зависит от того, что вы изучаете. Если начать с лампочки или лазера и решить уравнения Максвелла, то для каждого из этих приборов найдется единственное решение. Но в целом теории Максвелла и Ньютона тоже имеют бесконечное число решений в зависимости от начальных условий, то есть мы возвращаемся к той же ситуации, с которой начали.

Скорее всего, эта проблема характерна для любой теории всего. Любая теория всего будет иметь бесконечное число решений, зависящих от начальных условий. Но как определить начальные условия всей Вселенной? Это означает, что придется вводить условия Большого взрыва извне, вручную.

Многим физикам это представляется каким-то жульничеством. В идеале хотелось бы, чтобы теория сама сообщила нам условия, приведшие к Большому взрыву, включая температуру, плотность и состав в начале Большого взрыва. Теория всего должна сама по себе содержать свои начальные условия.

Иными словами, мы хотели бы получить однозначное и точное предсказание для начала Вселенной. А теория струн предлагает ошеломляющее богатство выбора. Может ли она предсказать нашу Вселенную? Да, может. Это сильное утверждение и цель физиков на протяжении уже почти столетия. Но может ли она предсказать всего одну вселенную? Вероятно, нет. Это и называется проблемой ландшафта.

У этой проблемы существует несколько возможных решений, ни одно из которых не находит широкого признания. Первое – это антропный принцип, который гласит, что наша Вселенная особенная, поскольку в ней есть мы – существа, обладающие сознанием и способные обсуждать этот вопрос. Иными словами, вселенных может существовать сколько угодно, но наша Вселенная – та, условия в которой делают разумную жизнь возможной. Начальные условия Большого взрыва зафиксированы в начале времен таким образом, чтобы разумная жизнь могла сегодня существовать. Другие вселенные, возможно, не имеют самосознающей жизни.

Я ясно помню свое первое знакомство с этой концепцией во втором классе школы. Учитель сказал нам, что Бог так любил Землю, что поместил ее на «правильном» расстоянии от Солнца. Не слишком близко, чтобы океаны не вскипели. И не слишком далеко, чтобы океаны не замерзли. Даже тогда, ребенком, я был ошеломлен этими рассуждениями, потому что в них при помощи чистой логики определялась природа Вселенной. Но сегодня спутники открыли уже четыре тысячи планет, обращающихся вокруг других звезд. Как ни печально, большинство из них располагается либо слишком близко, либо слишком далеко от своей звезды, чтобы поддерживать жизнь. Так что рассуждения моего учителя можно рассматривать двояко. Возможно, действительно существует любящий Бог, а возможно, существуют тысячи мертвых планет, расположенных слишком близко или слишком далеко, а мы с вами живем на той, что в самый раз подходит для поддержания разумной жизни, представители которой могут спорить о подобных вопросах. Аналогично можно допустить, что мы существуем в океане мертвых вселенных, а наша Вселенная – особая только потому, что мы в ней есть и можем обсуждать этот вопрос.

Помимо прочего, антропный принцип позволяет объяснить еще один любопытный экспериментально подтвержденный факт о нашей Вселенной – то, что фундаментальные физические константы в ней точно настроены на создание условий существования жизни. Как писал физик Фримен Дайсон, Вселенная, похоже, знала, что мы должны в ней появиться. Так, если бы ядерное взаимодействие было чуть слабее, Солнце никогда не вспыхнуло бы, и Солнечная система осталась бы темной[50]. Если бы сильное ядерное взаимодействие было чуть сильнее, Солнце выгорело бы миллиарды лет назад. Так что ядерное взаимодействие настроено очень точно.

Аналогично будь гравитация чуть слабее, Большой взрыв, возможно, завершился бы Большим замерзанием – появлением мертвой, холодной расширяющейся вселенной. Будь она чуть сильнее, мы, возможно, кончили бы Большим сжатием, и вся жизнь выгорела бы. Однако наша гравитация ровно такая, какой должна быть, чтобы позволить звездам и планетам сформироваться и просуществовать достаточно долго для появления жизни.

Можно составить целый список этих случайностей, которые делают жизнь возможной, и каждый раз мы оказываемся в центре так называемой зоны Златовласки, или зоны обитаемости. Так что Вселенная – это гигантская лотерея, и мы выиграли джекпот. Но, согласно теории мультивселенной, это означает, что мы сосуществуем с громадным количеством мертвых вселенных.

Не исключено, что антропный принцип действительно может выделить нашу Вселенную из миллионов существующих в ландшафте вселенных, поскольку в ней имеется разумная жизнь.

Мой собственный взгляд на теорию струн

Я работаю над теорией струн с 1968 г., так что у меня имеется на ее счет собственное мнение. Как ни крути, эту теорию в окончательном виде еще только предстоит сформулировать. Так что сравнивать теорию струн и нынешнюю Вселенную пока рано.

Одна из особенностей теории струн состоит в том, что она развивается задом наперед, открывая по пути новую математику и новые концепции. Примерно каждое десятилетие в теории струн случается откровение, меняющее наши представления о ее природе. Я был свидетелем трех таких революций, но тем не менее нам только предстоит представить теорию струн в ее полном виде. Мы пока не знаем ее окончательных фундаментальных принципов. Только после их появления можно сравнивать теорию с результатами эксперимента.

Открытие пирамиды

Мне нравится сравнивать исследование теории струн с поисками сокровищ в египетской пустыне. Представьте, что в один прекрасный день вы спотыкаетесь о маленький камешек, торчащий из песка в пустыне. Вы сметаете с камня песок и начинаете понимать, что на самом деле это верхушка гигантской пирамиды. После многолетних раскопок вы находите в ней странные помещения и предметы искусства. На каждом этаже обнаруживаются новые сюрпризы. Наконец, раскопав множество этажей, вы добираетесь до последней двери и уже готовы открыть ее, чтобы выяснить, кто построил эту пирамиду.

Лично я считаю, что мы еще не добрались до нижнего этажа, поскольку всякий раз при анализе теории в ней открываются все новые математические слои. Нам предстоит раскопать еще не один слой, прежде чем мы сможем сформулировать теорию струн в ее окончательном виде. Иными словами, теория умнее нас.

Теорию струн можно выразить с помощью струнной теории поля одним уравнением длиной около дюйма. Но в десяти измерениях нам потребуется уже пять таких уравнений.

Если теорию струн можно выразить в виде теории поля, то для M-теории это по-прежнему невозможно. Впрочем, все же есть надежда, что когда-нибудь физики найдут одно-единственное уравнение, которое выразит M-теорию. Широко известно, что мембрану (которая способна колебаться множеством способов) очень трудно выразить в форме теории поля. Как следствие, M-теория состоит из десятков разрозненных уравнений, которые волшебным образом описывают одну и ту же теорию. Если мы сумеем записать M-теорию в виде теории поля, то, по идее, она полностью должна выводиться из одного-единственного уравнения.