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

Теория струн должна еще объяснить, почему вакуумная энергия Вселенной столь мала. Физика частиц также не знает ответа на этот вопрос. Однако, в противоположность теории струн, физика частиц не претендует на то, чтобы быть теорией квантовой гравитации, она менее амбициозна. Модель физики частиц, которая неспособна объяснить энергию вакуума, неудовлетворительна, но теория струн, дающая неправильное значение этой энергии, вообще исключена.

Вопрос о том, почему плотность энергии столь экстраординарно мала, даже и близко не решен. Некоторые физики верят, что правильного объяснения не существует. Хотя теория струн есть единая теория с единственным параметром — натяжением растянутой струны — теоретики-струнники не могут до сих пор использовать ее для предсказания большинства свойств Вселенной. Большинство физических теорий содержит физические принципы, позволяющие вам отобрать те физические конфигурации, которые будет реально предсказывать теория. Например, большинство систем приходит в состояние покоя в конфигурации, имеющей наименьшую энергию. Но этот критерий, похоже, не работает для теории струн, в которой возможно бесконечное число различных конфигураций, не имеющих одинаковой вакуумной энергии, и мы не знаем, какую из них предпочесть.

Некоторые теоретики-струнники уже больше не пытаются найти однозначную теорию. Они смотрят на возможные размеры и формы скрученных измерений и на различные варианты значений энергии, которые может содержать Вселенная, и заключают, что теория струн может только набросать ландшафт, описывающий гигантское количество возможных вселенных, в которых мы могли бы жить. Эти теоретики не считают, что струна однозначно предсказывает вакуумную энергию. Они верят в то, что в космосе размещено много разных несвязанных областей с различными значениями вакуумной энергии, и мы живем в той части космоса, которая содержит правильное значение. Из множества возможных вселенных лишь одна может породить структуру, которая могла бы содержать (и действительно содержит) нас. Эти физики полагают, что мы живем во Вселенной с настолько фантастически невероятным значением вакуумной энергии, потому лишь что любое большее значение не привело бы к образованию галактик и структуры во Вселенной, а следовательно, предотвратило бы наше существование.

Это рассуждение известно под названием антропный принцип. Этот принцип существенно отличается от целей первоначальной теории струн — предсказать все свойства Вселенной. Он утверждает, что мы не должны объяснять малую энергию. Существуют несвязные вселенные со многими возможными значениями вакуумной энергии, но мы живем в одной из немногих, где может сформироваться структура. Значение энергии в этой вселенной до смешного мало, и только исключительные версии теории струн могут предсказать это очень маленькое значение, но мы можем существовать только во вселенной с очень малой энергией. Этот принцип может быть дискредитирован будущими достижениями, или оправдан более тщательными исследованиями. Однако, к сожалению, это будет трудно (если вообще возможно) проверить. Мир, в котором ответ зиждется на антропном принципе, определенно был бы неутешительным и неудовлетворительным сценарием.

В любом случае теория струн в ее теперешнем состоянии развития безусловно не предсказывает свойств мира, хотя это и единая теория по самой ее формулировке. Повторим снова, что мы столкнулись с вопросом о том, как связать прекрасную симметричную теорию с физическими реалиями нашей Вселенной. Простейшая формулировка теории слишком симметрична: многие размерности и многие частицы и взаимодействия, которые, как нам известно, должны быть разными, в теории совершенно одинаковы. И чтобы установить связь со Стандартной моделью и миром, который мы видим, этот великий порядок должен быть потревожен. После нарушения симметрии единственная теория струн может проявить себя во множестве разных обличий, в соответствии с тем, какие симметрии оказываются нарушенными, какие частицы становятся тяжелыми и какие измерения оказываются выделенными.

Создается впечатление, что теория струн — это красиво скроенное платье, которое не совсем подходит по размеру. В теперешнем состоянии вы можете повесить это платье на вешалку и восхищаться тонким шитьем и сложными стежками — оно действительно прекрасно — но вы не можете носить это платье, пока не сделаете необходимую подгонку. Нам нравится теория струн, которая включает все, что мы знаем о мире. Однако одежда, сшитая по правилу «один размер для всех», редко выглядит хорошо на каждом. Сейчас мы даже не знаем, есть ли у нас правильный набор инструментов, чтобы правильно сшить теорию струн.

Так как мы в действительности не знаем все приложения теории и неясно, будем ли мы их знать когда-нибудь, некоторые физики просто определяют теорию струн как все, что разрешает парадокс квантовой механики и общей теории относительности на малых расстояниях. Конечно, большинство теоретиков-струнников верят, что теория струн и правильная теория — это одно и то же или по крайней мере они очень тесно связаны.

Ясно, что многое еще нужно изучать. Еще слишком рано судить об окончательных достоинствах описания мира с помощью теории струн. Возможно, более искусная математическая машинерия позволит физикам по-настоящему понять теорию струн, или, возможно, физические идеи, запасенные в приложениях теории струн к окружающей Вселенной, подберут ключи к загадке. Для анализа нерешенных проблем теории струн, похоже, потребуется фундаментально новый подход, выходящий далеко за рамки тех средств, которые до сих пор развивали математики и физики.

Тем не менее теория струн очень примечательна. Она уже привела к углубленному пониманию гравитации, размерностей и квантовой теории поля и является наилучшим из всех нам известных кандидатов на роль последовательной теории квантовой гравитации. Кроме того, теория струн привела к невероятно красивым математическим достижениям. Но теоретики-струнники все еще не выполнили тех обещаний, которые были сделаны в 1980-е годы в отношении связи теории струн с миром. Мы до сих пор не знаем большинства следствий теории струн.

Честно говоря, вопросы физики частиц также не получили немедленного ответа. Многие проблемы физики частиц, известные в 1980-е годы, так и остались нерешенными. Среди этих вопросов объяснение происхождения несопоставимых по величине масс элементарных частиц и нахождение правильного решения проблемы иерархии. Кроме того, моделестроители все еще ждут экспериментальных ключей, которые подскажут нам, какая из мириад возможностей правильно описывает физику за рамками Стандартной модели. Пока мы не перейдем к энергиям выше 1 ТэВ, мы вряд ли получим определенные ответы на волнующие нас вопросы.

В наши дни как сообщество физиков, занимающееся теорией струн, так и сообщество специалистов по физике частиц имеют более здравый взгляд на свой уровень понимания, чем это было в 1980-е годы. Мы пытаемся задавать трудные вопросы, а они требуют времени на ответ. Но это волнующее время, так что несмотря на (или, возможно, из-за) множества нерешенных проблем, есть хорошие основания быть оптимистом. Сейчас физики более глубоко понимают многие следствия как физики частиц, так и теории струн, и те исследователи, которые непредвзято воспринимают новые идеи, получают выгоду от достижений обеих школ. Это «срединная» позиция, которую предпочитают некоторые мои коллеги и я сама, и она приводит к потрясающим результатам, с которыми мы скоро познакомимся.