Источник изображения: Juergen Faelchle/Shutterstock
Как говорят некоторые современные физики, проблема теории струн (далее ТС) в том, что для её работы нужно слишком много Вселенных. Согласно ТС, существует 
версий окружающего мира, каждая со своими собственными законами физики. Но если перед нами лежит такой спектр вариантов мироустройства, то как приспособить теорию для объяснения принципов именно нашей реальности?
Опять-таки, как предполагает большинство физиков — а может, и все — дополнительные Вселенные на самом деле находятся в компактифицированном состоянии; это допущение в свою очередь принимается для того, чтобы включить в теорию постоянство тёмной энергии (далее ТЭ), которую пока ещё считают основной движущей силой инфляционного расширения космоса. Однако, у некоторых учёных есть желание уничтожить «лишние» измерения; при этом они заявляют, что это не шаг назад, а наоборот, серьёзных прорыв в совершенствовании ТС. Увы, остальное научное сообщество по-прежнему считает, что подход «мультивселенной» должен сохраниться, и вообще, в целом это не такая уж и проблема.
Дебаты на подобную животрепещущую тему прошли в Японии, в конце июня, где сторонники теории струн собрались со всего света на конференцию Strings 2018 («Струны 2018»). «Нексколько свежих мыслей привели к ожесточённой полемике по некоторым вопросам», — рассказывает Ульф Даниэльссон, физик Университета Уппсала, Швеция. В основном дискуссия развернулась вокруг пары научных работ (первая, вторая), опубликованных на веб-ресурсе АrXiv в течение последнего месяца, которые сфокусировались на том, что называется «ландшафтом» — непостижимом множестве потенциальных Вселенных, появившихся как результат решения различных уравнений, которыми в ТС описывается и наш мир со всем его содержимым, включая тёмную энергию. Но, как подчёркивают обе работы, если перетащить теорию с удобного для неё «ландшафта» в так называемое «болото», то математика начинает хромать и противоречить самой себе. За прошедшие годы многие решения угодили прямиком в «болото», но ещё никто не высказывал мысль о том, что туда должны отправиться все или почти все результаты, базировавшиеся ранее на принципе «ландшафта». Как сказал на конференции Камран Вафа, физик Гарвардского университета: «Вполне возможно, что мы в принципе не в состоянии найти верного решения для теории струн, включающего тёмную энергию».
Потерявшись в Мультиверсуме
Теория струн довольно давно позиционировалась как попытка описать окружающий нас мир некоей единой «Теорией Всего», путём добавки к нему дополнительных измерений и рассмотрения всех частиц как миниатюрных непрерывно вибрирующих «струн». Многие адепты ТС до сих пор считают её наиболее подходящим способом наконец осуществить мечту Альберта Эйнштейна — соединить общую теорию относительности (ОТО) с квантовыми эффектами. Причём надо отметить, что «ландшафт», предсказывающей поведение многих Вселенных, часто отталкивает физиков. «С моей точки зрения „ландшафт“ убивает теорию, потому что она теряет ценность как метод прогноза», — говорит Пол Штайнхардт, физик Университета Принстона, автор одной из вышеупомянутых работ с критикой ТС — «Допускается буквально всё что угодно». Штайнхардт и его коллеги видят выход из ситуации в недавно обнаружившихся проблемах с добавлением тёмной энергии. «Эта история с „огромным мультиверсумом“ скорее всего математически некорректна», — добавляет Даниэльссон — «Что довольно любопытно, поскольку теория парадоксальным образом становится более пророческой, чем мы считали».
Некоторые теоретики вроде Саведипа Сети из Университета Чикаго, наоборот, даже рады происходящему: «Мне кажется, это замечательно. Я скептически относился к концепции „ландшафта“ с давних пор, и приятно слышать, что парадигма сдвинулась с точки слепой веры в возможность доказать все эти решения». Но не всем нравится мысль о том, что результаты на основе «ландшафта» на самом деле должны оказаться в «болоте» — особенно той команде исследователей, которая и предложила одну из первых версий «ландшафта» в 2003, называемую KKLT по первым буквам фамилий учёных-создателей. Шамит Кахру, одна из членов группы KKLT из Университета Стэнфорда, высказала сомнения относительно аргументации Вафы и остальных: «Нет, конечно здорово заниматься различными домыслами и пытаться предугадать, как это повлияет на итог, но я не вижу никаких причин, теоретических или экспериментальных, для того, чтобы принимать эту „угадайку“ всерьёз. Исходные данные и то, как мы собрали их вместе в единое целое — всё прекрасно обосновано». Хуан Малдасена, физик-теоретик из Института перспективных исследований, Нью-Джерси, также заявил, что он по-прежнему будет придерживаться идеи существования множества Вселенных с тёмной энергией в рамках теории струн.
Да, многие в науке вполне довольны ТС с мультиверсумом. «Понятно, что если подход с использованием „ландшафта“ корректен, то сравнивать нашу Вселенную с мультиверсумом всё равно что сравнивать Солнечную систему со всей остальной Вселенной», — поясняет Кахру. — «И это хорошо. Иоганн Кеплер пытался найти фундаментальную причину того, почему Земля находится именно на таком расстоянии от Солнца, а не каком-то другом. Но сейчас мы знаем, что наша звезда одна из миллиардов даже в этой галактике, и у многих из них тоже есть планеты, и радиус земной орбиты — просто случайное число, а не следствие какого-то глубоко спрятанного в ткани мироздания математического отношения. Соответственно, если допустить наличие триллиардов других Вселенных, то тогда и параметры окружающего нас космоса — просто набор произвольных цифр, не более. А тот вывод, что они кажутся идеально подогнанными именно для жизни человека — просто ошибка отбора; со временем человечество наверняка обнаружит подобных себе в тех редких уголках мультиверсума, где условия подходят для людей».
Разгоняющаяся Вселенная
Что ж, вернёмся к вопросу тёмной энергии: именно её неизменность никак не вяжется с теорией струн. И по словам Вафы, это отличная причина усомниться в самой концепции ТЭ — особенно в том виде, который называется «космологической постоянной». Идея, которую предложил ещё Эйнштейн в 1917 году, получила вторую жизнь в 1998, когда астрономы выяснили, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. Космологическая постоянная должна была стать формой энергии вакуума, стабильной и противодействующей силам гравитации. Но, как оказалось, это не единственный возможный способ обосновать ускоряющийся разлёт миров. Например, есть гипотеза о «квинтэссенции» как разновидности некоего поля, пронизывающего всю наблюдаемую Вселенную и при этом изменчивого. «Вне зависимости от того, смогут ли приверженцы теории струн увязать её наконец с постоянной тёмной энергией, внезапно оказалось, что мысль об непостоянстве ТЭ гораздо естественней смотрится в ТС», — веселится Вафа — «А в таком случае выиграет тот, кто сможет измерить изменение тёмной энергии через астрономические наблюдения».
И поскольку все данные, что астрономы собрали до этого, подтверждали идею о космологической константе, то теперь образовался некоторый простор для манёвра. На зонде Euclid, инфракрасном телескопе NASA WFIRST и оборудовании строящейся Лаборатории Саймонса уже запланирован ряд экспериментов с целью понять, была ли тёмная энергия в прошлом слабее или сильнее, чем сейчас. Пол Штайнхардт: «Нам даже не придётся ждать каких-то новых технологий, чтобы приступить. Мы уже в деле».
Удивительно, но даже те, кто со скепсисом отнёсся к предположению Вафы, поддерживают поиск альтернативы космологической константе. Например, можно процитировать Еву Сильверштайн, американского космолога и физика-теоретика: «Я не думаю, что есть основания начать угадывать, какими будут результаты наблюдений по тёмной энергии. Но я согласна, что [переменное поле тёмной энергии] это сильно упрощает создание модели ускоренного расширения Вселенной».
«Квинтэссенция» не единственный вариант, к слову. На фоне работ Вафы, Даниэльссон с коллегами представили альтернативный способ «подружить» ТЭ и ТС. В их варианте наша Вселенная представляет собой трёхмерную поверхность некоего пузыря, расширяющегося в пространство с большим количеством измерений. «Учёные с помощью такой поверхности могут реплицировать физику с космологической константой», — объясняет Даниэльссон — «Со сравнению с тем, что мы думали раньше, это совершенно другой метод подставить в уравнение тёмную энергию».
Прекрасная Теория
Без сомнения, в основе всех дискуссий относительно теории струн лежит главный вопрос: в чём смысл физики как науки? Можем ли мы требовать от какой-либо пусть даже самой классной теории объяснений по поводу каждого мельчайшего события в окружающей нас Вселенной или это уже слишком? И когда теория противоречит нашим представлениям об устройстве мира — стоит отбросить теорию или то, что мы считаем «знанием» о природе вещей?
Да, ТС привлекает многих своей «красотой» — решения её уравнений вполне удовлетворительны, а предлагаемые ей объяснения не лишены элегантности. Но постепенно начинает ощущаться недостаток доказательств — и что ещё хуже, нет уверенности в том, что они в принципе отыщутся. Впрочем, даже предположение о невозможности включить ТЭ в ТС не останавливает фанатов. «Она настолько ёмкая и великолепная, и настолько правильная во многих вопросах, что мы приучили себя думать — »ошибка не в теории, ошибаюсь я сам", — напоминает Сети — «Но погоня за „красотой“ не лучший путь, чтобы разработать верную Общую Теорию Вселенной». В конце концов, как написала в своей последней книге «Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray» («Затерянный в математике: как „красота“ сбивает физиков с пути») Сабина Хоссенфилдер из Института перспективных исследований, Франкфурт: «Математика полна изумительных и чудесных вещей, и большая часть из них не имеет к реальному миру никакого отношения».
Несмотря на часто противоположные взгляды, физики-теоретики тем не менее приятные ребята, объединённые общей жаждой — познать всё сущее, в том числе и Вселенную. Кахру, создавшая «ландшафт», была научным руководителем Вафы, яростного критика её идей — но они по-прежнему дружат. «Как-то раз он спросил меня, готова ли я поклясться своей жизнью, что „ландшафт“ существует», — смеётся Кахру — «Я ответила, что готова поклясться — его жизнью!».
Автор дополнительных материалов — Lee Billings.
Статья предоставлена веб-издательством Astrobiology Magazine, спонсируемым программой астробиологии NASA.
Автор: OriSvet
