До начала?

Так как точные уравнения теории струн неизвестны, Бранденбергеру и Вафе пришлось делать немало допущений и приближений в своих космологических исследованиях. Недавно Вафа сказал: «В нашей работе показано, что теория струн позволяет по-новому подойти к давним проблемам стандартного подхода п космологии. Мы видим, например, что в теории струн можно искоренить само понятие исходной сингулярности. Однако на современном уровне понимания теории струн выполнить абсолютно надежный расчет для таких экстремальных условий очень сложно, и наша работа дает лишь первое представление о струнной космологии, очень далекое от окончательного понимания»⁶).

После этой работы физики непрерывно продвигаются вперед к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идет во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти ученые представили свой, очень красивый, вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая Вселенная, родившаяся задолго до момента, который мы называем нулевой точкой, и зачавшая этот космический эмбрион планковских размеров.

Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскаленным и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяженность. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все ее точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось все более искривленным и в результате произошел резкий скачок температуры и плотности энергии⁷'. Прошло немного времени, и трехмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскаленное и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем все пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную. И так как в эпоху до Большого взрыва происходило свое инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано, «теория струн преподносит нам, как на блюдечке, вариант инфляционной космологии»⁸⁾.

Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих, но плодотворных споров, а его место в будущей космологической формулировке, к которой мы, в конце концов, придем в рамках теории струн, далеко

Глава 14. Размышления о космологии                                                  235

не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твердо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй революции суперструн. Например, сейчас еще не ясны космологические следствия существования многомерных мембран, или то, как изменятся рассмотренные законы космологии, если окажется, что значения констант связи в теории струн соответствуют центральным областям рис. 12.11, а не одному из полуостровов на этой карте. Иными словами, как изменит наше понимание первых моментов существования Вселенной анализ законченной М-теории? Эти важнейшие вопросы сейчас интенсивно исследуются. И уже появился один важный результат.

М-теория и слияние всех сил природы

На рис. 7.1 показано, что все три негравитационные взаимодействия сливаются воедино, если температура Вселенной достаточно велика. Как можно вписать в эту картину гравитационное взаимодействие? До открытия М-теории теоретикам удалось показать, что для простейших выборов компоненты Калаби—Яу гравитационное взаимодействие почти, но не полностью, сливается с тремя другими (рис. 14.2). Теоретики обнаружили, что несогласование можно устранить, слегка «подогнав» выбранное многообразие Калаби—Яу и выполнив серию математических трюков, но подобные тонкие настройки задним числом всегда вызывают у физиков ощущение дискомфорта. Так как сейчас никто не способен точно предсказать вид измерений Калаби—Яу, полагаться на решения проблем, столь чувствительные к детальному описанию этих измерений, довольно рискованно.

Однако Виттен показал, что результаты второй революции в теории суперструн приводят к более надежному решению. Исследуя то, как меняются силы взаимодействий в областях, где константа связи струны может быть большой, Виттен обнаружил, что кривую гравитационного взаимодействия можно

Рис. 14.2. В М-теории все четыре типа взаимодействий объединяются естественным образом

слегка изменить без какой-либо особой подгонки пространства Калаби—Яу, и она соединится с кривыми других взаимодействий, как показано на рис. 14.2. И хотя очень рано делать окончательные выводы, этот факт может быть признаком того, что единства в космологическом описании достичь проще, если работать в более общем формализме М-теории.

Результаты, рассмотренные в этом и предыдущих пунктах, являются первыми пробными шагами к пониманию космологических следствий теории струн и М-теории. Физики ожидают новых глубоких результатов в недалеком будущем, когда будут усилены и применены к решению космологических проблем методы теории струн/М-теории, не опирающиеся на теорию возмущений.

Но так как сегодня эти методы недостаточно эффективны для того, чтобы с их помощью можно было понять космологию на основе теории струн, стоит обсудить некоторые общие соображения о возможной роли космологии в поисках окончательной теории. Нужно предупредить читателя, что некоторые из этих соображений имеют более гипотетический характер, чем те, что описывались выше, однако эти соображения позволяют поставить вопросы, с которыми

236                       Часть IV.  Теория струн и структура пространства-времени

в будущем может столкнуться любая окончательная теория, какой бы она ни оказалась.

Рассуждения о космологии и окончательная теория

Космология оказывает на нас глубочайшее, почти гипнотическое, воздействие. Понимание того, как все происходило в начале, является, по крайней мере для некоторых из нас, наиболее близким прикосновением к тайне того, почему все это началось. Здесь не утверждается, что современная наука устанавливает связь между вопросом «Как?», и вопросом «Почему?» — она этого не делает, и вполне может оказаться, что подобная научная связь никогда не будет установлена. Но космология держит свое слово и постепенно ведет нас к наиболее полному пониманию арены действия «почему» — к пониманию рождения Вселенной. И это, по крайней мере, позволяет нам развивать научный подход, в рамках которого такие вопросы могут ставиться. Иногда глубокая осведомленность в вопросе — лучшая замена отсутствующего ответа.

В процессе поисков окончательной теории эти высокопарные фразы уступают место более конкретным соображениям. Наше сегодняшнее видение Вселенной, безусловно, зависит от фундаментальных законов физики, но может зависеть и от факторов космической эволюции (т. е. от того, что находится слева на рис. 14.1), и, вообще говоря, может лежать за рамками обсуждения даже самой фундаментальной теории, описывающей то, что находится на этом рисунке на самом правом крае.

В этом несложно убедиться. Рассмотрим, например, что происходит при бросании мяча. Его движение будет определяться законами гравитации, но, пользуясь лишь этими законами, нельзя предсказать, где упадет мяч. Нам также нужно знать величину и направление его скорости в момент броска. Иначе говоря, мы должны знать начальные условия. Во Вселенной также возможны аналогичные исторические взаимосвязи: то, почему звезда образовалась в одном месте, а планета в другом, определяется сложной цепью событий.

По крайней мере, в принципе, эту цепь можно раскрутить назад во времени, и объяснить определенным событием при рождении Вселенной. Возможно, однако, что и более фундаментальные свойства Вселенной, например фундаментальные свойства частиц материи или частиц, передающих взаимодействие, могут прямо зависеть от эволюции, которая, в свою очередь, зависит от начальных условий во Вселенной.

В самом деле, мы уже упоминали об одном возможном воплощении этой идеи в теории струн. В процессе эволюции ранней Вселенной дополнительные измерения могли трансформироваться от одного вида к другому и в конце концов, когда температура достаточно спала, принять вид одного конкретного пространства Калаби—Яу. Но, как и в случае брошенного мяча, результат многочисленных изменений пространств Калаби—Яу может зависеть и от конкретных условий в начале этого процесса. А так как вид окончательного многообразия Калаби— Яу влияет на массы частиц и свойства взаимодействий, то космологическая эволюция и состояние в момент рождения Вселенной сильно влияют на наблюдаемые сегодня физические явления.

Мы не знаем, какими были начальные условия во Вселенной. У нас даже нет идей, понятий и языка, которые нужно использовать для их описания. По нашему мнению, безумные начальные условия с бесконечной энергией, плотностью и температурой в стандартной и инфляционной моделях есть признак того, что эти модели неверны и дают неправильное описание действительно существовавших начальных условий. Теория струн позволяет улучшить описание, доказывая, что такие экстремальные условия можно обойти. Однако ни у кого так и нет ответа на вопрос, как все начиналось на самом деле. Недостаточность наших знаний распространяется даже на более грубый уровень: мы не знаем, можно ли вообще ставить вопрос об определении начальных условий, или будет ли этот вопрос всегда лежать за рамками любой теории, и задавать его столь же бессмысленно, сколь бессмысленно пытаться с помощью теории относительности пролить свет на то, с какой силой

Глава 14. Размышления о космологии                                            237

бросили мяч. Некоторые физики, такие как Хокинг и Джеймс Хартл из Калифорнийского университета, предпринимали отчаянные попытки направить вопрос о начальных космологических условиях в русло теоретической физики, но все эти попытки заканчивались плачевно. В настоящее время наш уровень понимания космологии в контексте теории струн/М-теории слишком примитивен для того, чтобы определить, достоин ли кандидат на «теорию всего» своего высокого предназначения, и определяются ли в его рамках начальные космологические условия, которые могут быть возведены затем в ранг физических законов. Это — главная тема будущих исследований.

Однако, даже безотносительно от проблемы начальных условий и их влияния на последующие зигзаги космической эволюции, в последнее время высказываются спекулятивные предположения о том, что существуют и другие потенциальные ограничения на способность объяснения мира любой окончательной теорией. Неизвестно, верны эти предположения или нет; на современном уровне развития науки это, разумеется, не важно. Однако сам факт провоцирует умозрительные доводы о том, что в любой окончательной теории могут возникнуть серьезные препятствия.

Идея основана на следующей возможности. Представим себе, что то, что мы называем нашей Вселенной, есть лишь крошечная часть гораздо более широких космологических просторов, один из бесчисленного множества островов грандиозного космологического архипелага вселенных. Конечно, такое предположение может показаться искусственным (и оказаться, в конце концов, неверным), но существует конкретный механизм, который приводит к такой ситуации. Этот механизм был предложен Андреем Линде, обнаружившим, что рассмотренный выше резкий и кардинальный взрыв с инфляционным расширением мог быть не однократным. Напротив, согласно Линде, условия для возникновения инфляционного расширения могли создаваться многократно в рассеянных по пространству изолированных областях, каждая из которых затем проходила свою стадию расширения и формировала свою вселенную. И в каждой из этих вселенных процесс продолжается: в удаленных областях старых вселенных появляются ростки новых, и паутина расширяющихся вселенных продолжает разрастаться до бесконечности. Терминология становится немного громоздкой, но в духе веяний моды, дадим этому существенно обобщенному понятию вселенной название мульти-вселенная*⁾, а компоненты мульти-вселенной будем называть вселенными.

Важно отметить, что из утверждения главы 7 о единстве и согласованности законов физики во всей нашей Вселенной не следует то, что на эти законы будут влиять законы физики в других вселенных, коль скоро эти вселенные отделены от нашей или, по крайней мере, находятся так далеко, что свет из этих вселенных еще не дошел до нас. Поэтому можно допустить, что физика в разных вселенных разная. В некоторых вселенных различия могут быть небольшими. Например, масса электрона или константа связи сильных взаимодействий могут отличаться на тысячные доли процента. В других вселенных могут быть более существенные различия. Например, «-кварк может весить в 10 раз больше, чем «-кварк в нашей Вселенной, а электромагнитное взаимодействие может быть в 10 раз сильнее, чем у нас, со всеми вытекающими последствиями для жизни звезд и для свойств окружающего мира, рассмотренных в главе 1. Наконец, могут быть вселенные, разительно отличающиеся от нашей: набор элементарных частиц и взаимодействий может быть совершенно иным; даже число протяженных измерений может отличаться. Для некоторых вселенных это число может быть равно нулю или единице, а для других — восьми, девяти или даже десяти. Если дать волю фантазии, даже сами законы могут быть совершенно разными в разных вселенных. Число возможностей бесконечно.

Но в этом-то и дело. Если перебрать вселенные из этого огромного архипелага, окажется, что в большинстве из них нет благоприятных условий для жизни, по крайней

*) В оригинале multiverse (в противовес universe). — Прим. ред.

238                       Часть IV.  Теория струн и структура пространства-времени

мере в нашем ее понимании. Для вселенных с существенно иными характеристиками это ясно: если бы наша Вселенная действительно выглядела, как вселенная Садового шланга, жизнь на ней, в нашем понимании, была бы невозможной. Однако даже очень слабые различия с нашим физическим миром повлияли бы на процесс образования звезд и, например, на их способность служить космическими фабриками по производству сложных жизненно-важных атомов (таких, как углерод или кислород), которые разлетаются по всей Вселенной в результате взрывов сверхновых. Если, учитывая высокую чувствительность жизни к деталям физической конструкции, задаться теперь вопросом о том, почему взаимодействия и частицы в природе именно такие, какими мы их наблюдаем, то напрашивается следующий возможный ответ. На просторах мульти-вселенной они могут сильно отличаться, так что физические свойства в других вселенных могут быть и являются другими. Уникальность наблюдаемых нами свойств как раз в том, что в этих условиях возможно возникновение жизни. А жизнь, точнее жизнь разумных существ, есть необходимая предпосылка самого вопроса о том, почему свойства нашей Вселенной именно такие. Или, выражаясь яснее, они такие, потому что если бы они были другими, некому было бы задавать этот вопрос. Подобно тому, как удивление игрока, выигравшего в смертельную русскую рулетку с ничтожным шансом выжить, ослабевает с осознанием того, что в случае проигрыша некому было бы удивляться, принятие гипотезы мульти-вселенной снижает потребность получить объяснение, почему наша Вселенная выглядит так, а не иначе.

Эта аргументация является одним из вариантов идеи, давно известной под названием антропного принципа. Так, как она излагается, эта позиция диаметрально расходится с грезами о единой и жесткой теории с абсолютной предсказательной силой, в которой все выглядят так потому, что по-другому во Вселенной быть не может. Вместо того, чтобы быть воплощением поэтической красоты, где все идеально связано друг с другом с неизменным изяществом, мульти-вселенная и антропный принцип приводят к чудовищному переизбытку вселенных с неутолимой жаждой к изменениям. Установить справедливость гипотезы о мульти-вселенной будет крайне сложно, если вообще возможно. Даже если другие вселенные и существуют, вполне возможно, что мы никогда не вступим с ними в контакт. Однако безграничное расширение просторов «снаружи» в концепции мульти-вселенной, созвучное с выводом Хаббла о том, что Млечный путь есть лишь одна из многих галактик, по крайней мере, предостерегает нас, не слишком ли многого мы ожидаем от окончательной теории?

Мы должны требовать, чтобы окончательная теория давала непротиворечивое квантово-механическое описание всех взаимодействий и всей материи. Мы должны требовать, чтобы окончательная теория приводила к неоспоримой космологической модели для нашей Вселенной. Однако если картина мульти-вселенной верна (а это еще большой вопрос), то требовать от окончательной теории еще и объяснения детальных свойств природы (например, масс и зарядов частиц) может означать требовать слишком многого.

Необходимо подчеркнуть, что даже если принять гипотезу о мульти-вселенной, вывод о том, что это снизит предсказательную силу теории далеко не бесспорен. Причина, если объяснять ее на пальцах, состоит в следующем. Если дать волю фантазии и взять на вооружение гипотезу мульти-вселенной, следует также напрячь воображение и рассмотреть способы, как можно обуздать столь явный произвол, присущий этой гипотезе. Размышляя в консервативном духе, мы можем предположить (считая верной картину мульти-вселенной), что было бы возможным расширить окончательную теорию до ее максимальных границ, и тогда «расширенная окончательная теория» сможет точно ответить на вопросы, как и почему значения фундаментальных параметров разбросаны именно так во всех составляющих вселенных.

И одним из умеренных способов будет предположение о возможности обобщения окончательной теории на все вселенные, в котором «обобщенная окончательная те-

Глава 14. Размышления о космологии                                            239

ория» сможет точно ответить на вопросы о значениях фундаментальных параметров во всех составляющих вселенных.

Более радикальный способ следует из предположения Ли Смолина из университета штата Пенсильвания. Под впечатлением схожести условий в момент Большого взрыва и в центре черных дыр, которые характеризуются колоссальной плотностью сжатой материи, он предположил, что черная дыра есть семя новой вселенной, рождающейся в муках Большого взрыва, но навеки спрятанной от нас за горизонтом событий черной дыры. Тем самым, предложив другой механизм образования мульти-вселенной, Смолин внес и новый элемент — космический вариант генетической мутации, — устраняющий теоретические ограничения антропного принципа⁹⁾. Допустим, рассуждает он, что свойства дочерней вселенной, распустившейся из почки черной дыры, близки, но не тождественны свойствам породившей ее вселенной. Так как черные дыры образуются из потухших звезд, а интенсивность образования звезд определяется точными значениями масс и зарядов, то плодовитость конкретной вселенной сильно зависит от этих параметров. Следовательно, небольшие изменения параметров в дочерних вселенных приведут к появлению отпрысков, еще более приспособленных к воспроизводству черных дыр, число дочерних вселенных в которых будет еще больше¹⁰'. За многие поколения вселенные будут настолько оптимизированы к воспроизводству черных дыр, что заполонят мульти-вселенную. Таким образом, Смолин предложил расходящийся с антропным принципом динамический механизм, в котором параметры следующих поколений вселенных будут все ближе к значениям, оптимальным для образования черных дыр.

Даже в контексте мульти-вселенной этот подход приводит к новому способу объяснения характеристик материи и взаимодействий. Если теория Смолина верна, и если наша Вселенная является типичным элементом зрелой мульти-вселенной (конечно, оба эти «если» можно оспорить с многих точек зрения), то наблюдаемые нами характеристики частиц и взаимодействий должны быть оптимизированы для воспроизводства черных дыр. Иными словами, любое отклонение от этих параметров должно уменьшить эффективность образования черных дыр. Физики начали исследовать это утверждение, но в настоящее время они не пришли к согласию по этому вопросу. Однако даже если предположение Смолина окажется неверным, оно показывает, что окончательная теория может принять еще один облик. С первого взгляда, этой теории может не хватать строгой определенности. Может оказаться, что она будет описывать огромное царство вселенных, большинство из которых не имеет отношения к нашей. Более того, можно предположить, что это обилие вселенных действительно реализуется физически и образует мульти-вселенную — нечто, на первый взгляд, навсегда ограничивающее нашу предсказательную силу. Однако данное обсуждение иллюстрирует, что окончательное объяснение все же возможно, если нам удастся не только найти окончательные законы, но и установить их влияние на космологическую эволюцию в непредсказуемо широких масштабах.

Изучение космологических следствий из теории струн/М-теории будет, несомненно, главной темой исследований в XXI в. Не обладая ускорителями, способными разгонять частицы до энергий порядка планковской, мы будем вынуждены постоянно опираться на данные экспериментов «космологического ускорителя» Большого взрыва — на то, что разбросано этим взрывом по всей Вселенной. И если мы будем настойчивы, и нам будет сопутствовать удача, в конце концов нам удастся ответить на вопросы о том, что происходило при рождении Вселенной, или о том, почему она преобразовалась к виду, который предстает перед нами на земле и на небе. Конечно, от области, где зарыты разгадки фундаментальных проблем, нас отделяет пропасть неизведанного. Однако развитие квантовой теории гравитации в рамках теории суперструн усиливает уверенность в том, что современный теоретический аппарат поможет преодолеть эту пропасть и, после многих лет напряженной работы, найти ответы на глубочайшие из когда-либо ставившихся вопросов.

Часть V. ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ В XXI ВЕКЕ

Глава 15. Перспективы

Пройдут века, и теория суперструн (или результат ее развития в рамках М-теории) преобразится настолько по сравнению с современной формулировкой, что станет неузнаваемой даже для ведущих современных исследователей. Возможно, в ходе поисков «теории всего» обнаружится, что теория струн — всего лишь один из множества необходимых шагов на пути к гораздо более величественной концепции космоса, которая оперирует понятиями, совершенно непохожими на те, с которыми мы до сих пор сталкивались. История науки учит тому, что каждый раз, когда все вокруг складывается в единую схему, природа обязательно приберегает для нас сюрпризы, которые требуют существенных, а иногда и радикальных изменений наших представлений об устройстве мира. Как и многие до нас, мы снова и снова самонадеянно убеждаем себя, что живем в тот самый период истории человечества, когда поиск фундаментальных законов Вселенной наконец-то близок к завершению. По словам Эдварда Виттена, «разгадка теории струн кажется нам столь близкой, что в моменты оптимистического подъема мне представляется, как в один прекрасный день окончательная форма теории может просто свалиться с небес кому-то на голову. Скорее всего, однако, путь к этой теории — гораздо более глубокой, чем любая из построенных до сих пор, — будет долгим, и когда-нибудь в XXI в., когда я буду уже слишком стар, чтобы придумать что-либо полезное по этому вопросу, молодые физики должны будут решать, нашли мы окончательную теорию или нет»¹⁾.

Хотя мы все еще ощущаем последствия второй революции в теории суперструн и продолжаем брать на вооружение порожденные ею открытия, по мнению большинства теоретиков, потребуется третий или даже четвертый переворот такой же силы, чтобы высвободить все могущество теории струн и оценить ее роль как окончательной теории. Как мы видели, теория струн уже рисует новую замечательную картину того, как работает Вселенная, однако остаются значительные препятствия и слабые места, которые, без сомнения, станут объектом основного внимания теоретиков XXI в. Таким образом, в этой последней части книги мы не сможем закончить историю поиска человечеством наиболее глубоких законов Вселенной. Поиск продолжается. Вместо этого устремим наш взгляд в будущее теории струн и обсудим пять основных вопросов, с которыми струнные теоретики обязательно будут иметь дело в процессе поиска окончательной теории.

Глава 15. Перспективы                                                        241