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»). «Несколько 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. 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», предсказывающий 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 начинать гадать, 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.