Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

Объясняя, почему он дал своей теории такое название, Виттен предложил подставлять вместо буквы M слова «магия», «мистика» или «мембрана» – по вкусу читателя. Если отодвинуть в сторону этот неловкий юмор, то основная идея новой теории такова: на месте одномерных струн мы разворачиваем протяжённые структуры – мембраны (или, для краткости, браны), заполняющие некоторое многомерное пространство и взаимодействующие в нём. Как и струны, браны составляют основу всего и являются фундаментальными элементами Вселенной.

Как это было и с теорией струн, есть надежда, что где-то в математических дебрях найдётся особая форма вибрирующей мембраны, которая позволит описать действие гравитации. Но и здесь, как и в теории струн, требуется адски сложная математика. Кроме того, M-теория не сводится к какой-то одной идее – их целый букет, и у каждой свои специфические предположения и ограничения.

M-теория похожа на теорию струн не только математическими трудностями, но и ограничениями возможностей экспериментального тестирования. Имеют ли хоть что-то общее с реальностью и физическим миром вокруг нас математические преобразования, заполняющие тысячи страниц академических журналов мира? Ускорители частиц и детекторы гравитационных волн не дали пока никаких доказательств правоты M-теории, в то время как в кабинетах и аудиториях всего мира некоторые из самых светлых умов планеты продолжают заполнять белые доски аналитическими выкладками. Что же, может быть, в один прекрасный день M-теория окажется нашим окончательным описанием физической реальности. А может быть, тихо отойдёт в прошлое – если люди устанут от скуки и разочарования тем, что им никак не удаётся добиться от этой теории ни удачных предсказаний, ни экспериментальных доказательств.

Петлевая квантовая гравитация

Некоторые физики размышляют о том, нет ли другого способа объединить гравитацию с квантованной природой остальных сил. Возможно, говорят они, гравитация – квантовое явление, но не в том смысле, в каком квантовыми явлениями можно назвать остальные силы. Эйнштейн объяснил, что гравитация – результат искривления пространства и времени. Что, если квантовать сами пространство и время, расщепив их на крохотные дольки? Это и есть основная идея петлевой квантовой гравитации.

Так как эта теория содержит искривлённое, хоть и разбитое на мелкие части пространство и время, гравитация в ней уже присутствует, тогда как игра остальных сил разворачивается на квантованном фоне. Вы, может быть, хотите спросить, откуда в названии теории слово «петлевая», но имейте в виду, что именно здесь в её основной идее и появляются некоторые странности. Малые частички пространства и времени как бы сплетены в единую матрицу или сеть, так что, если бы мы могли глубоко заглянуть в структуру пространства-времени на самом малом масштабе, мы увидели бы при большом увеличении что-то вроде полотна вязаного шерстяного свитера: она вся состояла бы из переплетающихся и продетых друг в друга петель. Есть даже кое-какие идеи о том, как из этого переплетения вырастает будущее, подобно тому, как на вязальной машине из готовой петли вытягивается следующая.

Один из философских вопросов, вокруг которого глубокие умы ломают копья с тех пор, как Эйнштейн записал свои уравнения, заключается в том, что прошлое, настоящее и будущее присутствуют в мире одновременно, зашифрованные в математической форме. В блочной Вселенной общей теории относительности нет никакого «разворачивающегося будущего», и, так как оно уже записано, вопрос о существовании свободной воли и нашего восприятия времени остаётся открытым. Тот же вопрос встанет перед любой теорией, построенной на основе этого представления о ткани пространства-времени. «Но не перед нами!» – говорят нам создатели петлевой квантовой гравитации.

В этой теории будущее ещё только предстоит сплести, и свободная воля вне опасности! Но математические трудности квантовой гравитации, как и в теории струн и в M-теории, огромны, идеи ещё не вполне оформились, и экспериментальные доказательства точно так же пока не получены.

… и многие другие теории

Мы рассмотрели многие, но далеко не все возможные пути к построению «теории всего». Физики отчаянно пытаются найти решение этой задачи, выдвигая множество идей, часть из которых основана на весьма радикальных воззрениях на фундаментальное строение Вселенной. Но любой интересующийся новостями науки читатель мог бы заключить: большинство этих идей получают гораздо большее освещение в прессе, чем они заслуживают по своей предсказательной силе или по адекватности описания реальности.

Честно говоря, в этой области мы более полусотни лет бредём вслепую, и, хотя количество сказанных слов и написанных уравнений постоянно растёт, решения пока не видать.

Куда нас приведёт «теория всего»?

Уже около столетия величайшим умам человечества не удаётся построить убедительной «теории всего». Но мы продолжаем мечтать о ней! А вдруг завтра мы проснёмся и узнаем, что кто-то расколол этот орешек, и у нас теперь есть единая теория, охватывающая как гравитацию, так и остальные силы? Невозможно угадать, когда и откуда придёт это решение, кто из молодых университетских исследователей на физическом или математическом факультете в каком-то уголке мира испытает озарение – и всё станет ослепительно ясно. Его, конечно, будет ждать Нобелевка. Но что же именно мы узнаем? Что рассчитываем открыть во Вселенной?

Мы уже назвали два наиболее загадочных места: центральные области чёрных дыр и точка рождения Вселенной. Что же там можно найти?

Согласно эйнштейновской общей теории относительности, как только масса коллапсирует ниже критической точки так, что окажется целиком под горизонтом событий, ничто не может остановить её продолжающегося коллапса вплоть до обращения в ничто, до образования сингулярности. И, если мы остаемся в рамках лишь одной теории относительности, получается, что гравитация всегда преодолевает действие остальных сил, сжимая массу всё сильнее и сильнее до нулевого объёма. Но в рамках нашей «теории всего» мы сможем понять истинную взаимосвязь сил. Многие физики считают, что, когда плотность вещества становится исключительно высокой, что мы и наблюдали бы при образовании чёрной дыры, дело вовсе не сводилось бы к доминированию гравитации и фактическому исчезновению всех остальных сил. Напротив, когда гравитация растёт, растут и другие силы, сопротивляясь полному коллапсу в ничто. Действие квантовых сил приведёт к тому, что вместо образования в сердце чёрной дыры бесконечно плотной сингулярности там может сформироваться сверхмалое, сверхплотное ядро, в котором не будет бесконечностей, требуемых эйнштейновской теорией гравитации. Да, чёрные дыры причудливы, невероятно эксцентричны и полны крайностей, но бесконечностей в них нет! И физики, которым больше не надо беспокоиться о существовании во Вселенной реальных, физических бесконечностей, могут теперь спать спокойно.

Поможет ли нам потенциальная «теория всего» лучше разбираться в том, что происходит в чёрных дырах? Здесь мы определённо переходим в область домыслов. Возможно, всё, на что мы можем рассчитывать, это понимание, что у чёрной дыры очень – но не бесконечно – плотное ядро. Некоторые, правда, считают, что там могут происходить другие, более странные вещи. Огромные