Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

В Гарварде царило воодушевление по поводу физики частиц, и многие тамошние физики почти полностью отвергали теорию струн. В физике частиц и космологии оставались нерешенные вопросы — почему бы не ответить на них, прежде чем начать копаться на математическом минном поле, чем угрожала стать теория струн? Приемлемо ли для физики пытаться проникнуть в неизмеримые области? Когда имелось столько замечательных людей и множество интригующих идей о том, как расширить Стандартную модель физики частиц с помощью более традиционных методов, как-то не видно было особых причин бежать с корабля.

Однако были другие научные центры, где физики были убеждены, что все вопросы, касающиеся теории суперструн, будут вскоре разрешены, и что теория струн — это физика будущего (и настоящего). Теория суперструн находилась на ранних стадиях своего развития. Кое-кто верил, что если посвятить ей достаточное количество человеко-часов (а это были, в основном, муже-часы), теоретики-струнники смогут окончательно вывести всю известную физику. В работе 1985 года о гетеротической струне Гросс с коллегами писали: «Хотя остается еще много работы, представляется, что нет непреодолимых препятствий для того, чтобы вывести всю известную физику из… гетеротической струны»[133]. Теория струн обещала стать Теорией Всего Сущего. Принстон шел в авангарде этих идей.

Физики были настолько уверены, что теория струн была дорогой к будущему, что в отделе не осталось теоретиков в области физики частиц, не работавших над теорией струн, — ошибка, которую Принстону еще предстояло исправить.

Сегодня мы не можем сказать, являются ли проблемы, с которыми столкнулась теория, «непреодолимыми» или нет, но они, безусловно, требуют напряжения сил. На многие важные вопросы пока нет ответов. Обращение к нерешенным проблемам теории струн, по-видимому, требует математического аппарата или фундаментального нового подхода, которые далеко выходят за рамки того набора средств, который до сих пор был развит физиками и математиками.

Джо Полчинский в своем широко известном учебнике по теории струн пишет, что «теория струн может отражать набросок реального мира» и в некоторых отношениях это так и есть. Теория струн может включать частицы и взаимодействия Стандартной модели и может быть сведена к четырем измерениям, если свернуть остальные. Однако, хотя и существуют соблазн, что теория струн может включать в себя Стандартную модель, программа поиска идеального кандидата на роль такой модели после двадцатилетних усилий ничуть не приблизилась к завершению.

Первоначально физики надеялись, что теория струн сможет однозначно предсказать, на что должен был быть похож тот мир, из которого получился мир, который мы видим. Но сейчас в рамках теории струн существует множество моделей, которые содержат различные взаимодействия, имеют разные размерности и разные комбинации частиц. Мы хотим найти тот набор, который соответствует видимой Вселенной, и узнать причину, почему этот набор выделен. Пока что никто не знает, как сделать выбор среди возможностей. И в любом случае ни одна из них не выглядит безупречной.

Например, компактификация Калаби — Яу может объяснить число поколений элементарных частиц. Действительно, одна из возможностей — это три поколения Стандартной модели. Но компактификация Калаби — Яу не единственная. Хотя теоретики-струнники первоначально надеялись, что компактификация в многообразие Калаби — Яу выделит предпочтительную структуру и установит однозначные физические законы, они быстро разочаровались. Энди Стромингер рассказывал мне, что через неделю после открытия компактификации Калаби— Яу, когда он был уверен в ее однозначности, его соавтор Гэри Горовиц нашел еще несколько допустимых многообразий. Позднее Энди узнал от Яу, что существуют десятки тысяч допустимых многообразий Калаби — Яу. Сейчас мы знаем, что теории струн, основанные на компактификации Калаби — Яу, могут содержать сотни поколений. Если компактификации Калаби — Яу вообще имеют отношение к делу, то какая из них правильна? И почему? Даже если мы знаем, что некоторые измерения теории струн должны сворачиваться или как-то иначе исчезать, теоретики-струнники должны еще установить принципы, указывающие нам на размер и форму свернутых измерений.

Более того, кроме новых тяжелых струнных частиц, возникающих из волн, много раз колеблющихся вдоль струны, теория струн содержит новые частицы малой массы. Можно ожидать, что если они существуют и настолько легки, как это наивно предсказывает теория струн, такие частицы должны быть видны в экспериментах в нашем мире. Большинство основанных на теории струн моделей содержит намного больше легких частиц и взаимодействий, чем мы наблюдаем при низких энергиях, и совершенно не ясно, что выделяет правильные.

Найти теорию струн, соответствующую реальному миру, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Нам нужно еще узнать, почему гравитация, частицы и взаимодействия, выведенные из теории струн, должны совпадать с теми, которые существуют в нашем мире. Но эти проблемы с частицами, взаимодействиями и размерностями бледнеют по сравнению с реальным слоном в лавке — огромной переоценкой плотности энергии во Вселенной.

Даже в отсутствие частиц, Вселенная может обладать энергией, известной как энергия вакуума. Согласно общей теории относительности, существование такой энергии приводит к физическому следствию: она расширяет или сжимает пространство. Положительная вакуумная энергия ускоряет расширение Вселенной, в то время как отрицательная вакуумная энергия заставляет ее сжиматься. Эйнштейн впервые предположил существование такой энергии в 1917 году с целью найти статическое решение своих уравнений общей теории относительности, в котором гравитационный эффект энергии вакуума компенсировал бы влияние материи. Хотя затем он по многим причинам отверг эту идею, в том числе из-за открытого в 1929 году Эдвином Хабблом расширения Вселенной, не существует теоретической причины, по которой такая вакуумная энергия не могла бы существовать в нашей Вселенной.

Действительно, недавно астрономы измерили вакуумную энергию в нашем Космосе (ее еще называют темной энергией или космологической постоянной) и получили некоторое малое положительное значение. Они увидели, что далекие сверхновые тусклее, чем можно было бы ожидать, если бы они не разлетались ускоренно. Измерения сверхновых и детальные наблюдения реликтовых фотонов, рожденных во время Большого взрыва, убеждают нас, что Вселенная расширяется с ускорением, а это есть свидетельство того, что вакуумная энергия имеет малое положительное значение.

Это открытие очень важное. Но оно же порождает серьезную проблему. Ускорение очень мало, что говорит нам о том, что значение энергии вакуума хотя и ненулевое, но очень крохотное. Теоретическая проблема с наблюдаемой энергией вакуума состоит в том, что она намного меньше, чем кто-либо может оценить. Согласно оценкам теории струн эта энергия должна была бы быть намного больше. Но если бы это было так, энергия вакуума не просто приводила бы к трудноуловимому ускорению сверхновых. Если бы вакуумная энергия была большой, Вселенная уже давно бы сжалась (при отрицательной вакуумной энергии), или быстро расширилась в никуда (при положительной вакуумной энергии).