Мы живем в странном мире. У нас есть две фундаментально верные, но совершенно несовместимые картины реальности: гравитация Эйнштейна, описывающая космос, черные дыры и Большой Взрыв, и квантовая механика, управляющая миром частиц. Они используют разную математику и разную философию. И если попытаться их объединить — просто соединить гравитацию со Стандартной моделью, используя все те приемы, что мы накопили за столетие, — уравнения взрываются, выдавая бессмысленные бесконечности. Казалось, что это тупик.
Именно на этом фоне, как нечто достаточно «безумное, чтобы быть правдой», появилась теория струн. Она — единственный на сегодняшний день кандидат на роль долгожданной «Теории Всего», способной примирить этих двух враждующих гигантов. Но за этой невероятной амбицией скрывается не менее невероятный парадокс: теория, которая обещает объяснить все, до сих пор не имеет ни единого прямого экспериментального доказательства, а ее сторонников, как и изгоев прошлого, до сих пор поддразнивают нобелевские лауреаты.
Музыка, которая строит вселенную: как точки стали струнами
Фундаментальная идея теории струн (или суперструн) поразительно проста и элегантна. Вместо того чтобы считать элементарные частицы (электроны, кварки, нейтрино) некими неструктурированными точками, эта теория предлагает представить их крошечными, одномерными, бесконечно тонкими колеблющимися нитями энергии — струнами. Они настолько малы (размером около планковской длины, 10^-33 см), что в наших ускорителях выглядят точками.
Секрет в том, как они вибрируют. Точно так же, как скрипичная струна, колеблясь, издает разные музыкальные ноты (ля, си, до), разные частоты колебаний этих сверхмалых струн рождают разные частицы. Электрон — это одна нота, кварк — другая, а фотон — третья. Физику тогда можно представить как гармонию этих нот, а всю Вселенную — как необъятную струнную симфонию.
Поразительнее всего то, что эта теория, изначально возникшая в 1968 году как попытка объяснить сильное ядерное взаимодействие, неизбежно включает в себя гравитацию. Самая низшая вибрация замкнутой струны автоматически соответствует гравитону — кванту гравитационного поля. Физики любят шутить, что даже если бы Эйнштейн не родился, его Общую теорию относительности все равно бы открыли как побочный продукт, как одну из самых низких нот колеблющейся струны. И что самое важное: эта теория, благодаря своей симметрии, справляется с бесконечностями, которые преследовали все предыдущие попытки квантовать гравитацию.
Где спрятаны семь лишних измерений?
Когда физики начали углубляться в математику струн, их ждал настоящий шок. Теория не может быть математически непротиворечивой в нашем привычном четырехмерном мире. Для ее работы требуется либо десять, либо даже двадцать шесть измерений. Задумайтесь: обычные физические теории гибкие, их можно применить к любому числу измерений. А тут — теория, которая сама диктует свою размерность.
Почему именно десять? Оказалось, что для устранения всех математических «расходимостей» и «аномалий» (тех самых бесконечностей, из-за которых рушились другие теории) нужно, чтобы в уравнении слагаемые компенсировали друг друга. Это происходит благодаря принципу, называемому суперсимметрией. Она постулирует, что у каждой обычной частицы (например, электрона) есть «суперпартнер» (сэлектрон, скварк и т.д.), и квантовые поправки от обычных частиц и от их суперпартнеров взаимно уничтожают друг друга. И эта компенсация работает идеально только в 10 измерениях.
Но если измерений десять, то почему мы видим только четыре? Здесь на помощь приходит образ, который вы наверняка слышали: дополнительные шесть измерений «свернуты» (компактифицированы) в крошечные геометрические фигуры, называемые многообразиями Калаби-Яу. Представьте себе соломинку. Издалека она выглядит одномерной (протяженность), но если присмотреться, то видно, что она двумерна (есть еще окружность). Эти лишние измерения скручены настолько плотно (меньше атома), что мы их просто не замечаем. При этом, что невероятно, именно форма этих свернутых измерений определяет все: массу частиц, силы взаимодействия и даже заряд электрона.
Ландшафт, тупик и «теория всего» или «теория чего угодно»?
Теория струн, несмотря на всю свою красоту, сталкивается с монументальной проблемой: отсутствием экспериментальных доказательств и проблемой, которую называют «ландшафтом».
Прямая проверка требует энергий, в квадриллион раз превышающих возможности Большого адронного коллайдера (БАК). Чтобы увидеть струны напрямую, нужен ускоритель размером с галактику.
Однако главная боль теоретиков не в этом. Хуже то, что теория струн оказалась слишком успешной. Она имеет не одно, не два, а, по некоторым оценкам, огромное множество, порядка 10^500, математически непротиворечивых решений. Каждое такое решение — это своя, возможная вселенная со своим набором частиц и физических законов. Это ставит под сомнение ее предсказательную силу. Если теория может описать миллионы миров, то что она конкретно говорит о нашем мире?. Как метко заметили критики, если теория может объяснить все, она рискует стать «теорией ничего».
Критики, вроде нобелевского лауреата Филиппа Андерсона, идут еще дальше: они называют теорию струн «интересным разделом математики», который не оправдывает затраченных усилий, поскольку развивается в донаучной манере — без адекватного экспериментального подтверждения. Я сам, будучи автором этих строк и работая в этой области, признаю: мы пока не знаем, является ли она «теорией всего» или «теорией чего угодно».
От струн к лепешкам: рождение М-теории
Ситуация усугублялась еще и тем, что изначально существовало не одна, а целых пять разных, но внутренне согласованных версий теории струн. Эйнштейн мечтал об уникальной Вселенной, а тут — пять вариантов, как будто у Бога был выбор.
Все изменилось в 1995 году, когда Эдвард Виттен совершил то, что называют «второй революцией суперструн». Он показал, что все пять этих теорий, вместе с супергравитацией, являются лишь различными приближениями к одной, более глубокой и универсальной 11-мерной теории, которую он назвал М-теорией.
Что означает «М»? До сих пор никто не знает наверняка. Виттен предпочитал «Мистерия» или «Магия». Но чаще всего ее связывают со словом «Мембрана». М-теория вводит объекты, более общие, чем струны, — браны (p-браны). Струна — это 1-брана, а мембрана — 2-брана.
Самое головокружительное в этом новом подходе — представление о том, что наша трехмерная Вселенная может быть всего лишь 3-браной, огромной мембраной, плавающей в 11-мерном гиперпространстве. Если это так, мы «прикованы» к этой гиперповерхности и можем увидеть другие измерения только косвенно, например, через гравитационные флуктуации.
Личный вывод: мы видим только вершину пирамиды
Ученные работаю над этой теорией с 1968 года и могу сказать одно: мы до сих пор не нашли ее окончательных, фундаментальных принципов. Это похоже на археологические раскопки: мы споткнулись о маленький камешек, смахнули песок и поняли, что это лишь верхушка гигантской пирамиды. Струнная теория умнее нас. У нее есть потенциал стать краеугольным камнем физики, но, как сказал один из ее архитекторов, Дэвид Гросс, она подобна вершине горы, которая все время кажется близкой, но постоянно ускользает.
Чтобы достроить эту теорию, нам, возможно, понадобится математика XXI века, которая еще не изобретена. Но я не теряю надежды. Мы ищем не просто формулы, а «космическую музыку», о которой мечтал Эйнштейн. И когда мы найдем окончательное уравнение — возможно, всего на дюйм длиной — мы сможем узнать: был ли у Бога выбор при сотворении нашего мира? Или красота математики не оставила Ему вариантов? Я уверен, впереди нас ждет еще не одна научная революция.
А вы готовы принять, что вся наша реальность — это всего лишь нота, сыгранная на бесконечно малой вибрирующей струне?