Каждое утро вы просыпаетесь в мире, который считаете полным и завершённым. Длина, ширина, высота — три координаты, три священных кита, на которых, казалось бы, держится всё сущее. Вы ходите на работу, платите налоги, спорите в интернете о политике, и при этом даже не догадываетесь, что обитаете в жалкой проекции чего-то неизмеримо большего. Это как если бы рыба в аквариуме была убеждена, что её стеклянная коробка — это и есть весь океан. Трогательно? Безусловно. Печально? Ещё как.
Современная теоретическая физика последние полвека настойчиво твердит нам кое-что неудобное: пространство, в котором мы существуем, скорее всего, имеет не три, а десять, одиннадцать, а то и все двадцать шесть измерений. И это не фантазии обкурившихся математиков и не сценарий очередного фильма Marvel. Это теория струн — одна из самых серьёзных попыток человечества объяснить, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне.
Но постойте, скажете вы. Если этих измерений так много, почему я их не вижу? Почему не могу пощупать? Почему мой кот не исчезает в четвёртом измерении, когда я пытаюсь запихнуть его в переноску? Отличные вопросы. И ответы на них настолько же элегантны, насколько и обескураживающи. Мы — существа, эволюционировавшие для выживания в очень конкретных условиях. Наши органы чувств заточены под охоту на мамонтов и сбор ягод, а не под созерцание космологических истин. Мы биологические машины, оптимизированные для размножения, а не для понимания.
Мы — слепые кроты в трёхмерной норе
Чтобы понять всю абсурдность нашего положения, давайте проведём мысленный эксперимент. Представьте себе плоских существ, живущих на поверхности листа бумаги. Они могут двигаться влево-вправо, вперёд-назад, но понятия «вверх» для них не существует. Оно буквально непредставимо. Если вы, трёхмерный бог, ткнёте пальцем в их бумажный мир, они увидят только странный круг, который появился из ниоткуда и исчез в никуда. Для них это будет чудом или галлюцинацией.
Так вот, дорогие читатели, мы — эти плоские существа. Только наша «бумага» трёхмерна. И где-то там, в невообразимых далях дополнительных пространственных измерений, возможно, существуют структуры, явления и даже сущности, которые мы в принципе не способны воспринять. Не потому что они далеко. Не потому что они маленькие. А потому что наш мозг эволюционно не имеет инструментов для их обнаружения.
Понятие измерения в физике — это не какая-то мистическая категория. Это просто направление, в котором можно двигаться независимо от других. Вы можете пойти на север, не меняя высоты. Можете подняться на лифте, не смещаясь на восток. Каждое такое независимое направление — отдельное измерение. Три измерения — это минимум, необходимый для описания нашего повседневного опыта. Но математика, эта бессердечная госпожа, говорит нам, что ничто не мешает существовать четвёртому, пятому, десятому измерению. Математике плевать на нашу интуицию.
И вот тут на сцену выходит теория струн — самая амбициозная и самая фрустрирующая физическая теория современности. Она обещает объединить все силы природы в единую элегантную картину. Но у неё есть одно неудобное требование: для её математической непротиворечивости необходимо, чтобы пространство имело не три, а как минимум девять измерений. Плюс время. Итого — десять. В некоторых версиях — одиннадцать. Ну а что, гулять так гулять.
Струны: симфония невидимого
Согласно теории струн, всё во Вселенной — от кварков до квазаров, от нейтрино до вашей тёщи — состоит не из точечных частиц, а из крошечных одномерных объектов, называемых струнами. Эти струны настолько малы, что по сравнению с ними атом выглядит как галактика. Мы говорим о масштабах планковской длины — примерно 10⁻³⁵ метра. Это число настолько маленькое, что у человеческого языка нет метафор для его описания. Это как если бы атом был размером с видимую Вселенную — тогда струна была бы размером с дерево.
И вот эти струны вибрируют. Как на гитаре разные колебания струны дают разные ноты, так и в физике разные моды вибрации квантовых струн дают разные элементарные частицы. Электрон — это одна «нота». Кварк — другая. Фотон — третья. Вся материя и все силы — это космическая симфония, исполняемая на инструменте из одномерных струн.
Звучит красиво, не так ли? Почти поэтично. Но есть проблема. Математика теории струн работает только в пространстве с дополнительными измерениями. В нашем убогом трёхмерном мирке уравнения просто разваливаются, порождая бессмыслицу и бесконечности. Только добавление шести-семи дополнительных пространственных измерений делает теорию самосогласованной. Это не прихоть физиков-эстетов. Это математическая необходимость.
Но куда же делись эти измерения? Почему мы их не видим? Ответ: они компактифицированы. Свёрнуты в такие крошечные структуры, что даже самые мощные ускорители частиц не могут их обнаружить. Представьте себе садовый шланг. Издалека он выглядит как одномерная линия. Но если посмотреть вблизи, вы увидите, что у него есть и длина, и окружность — второе измерение, свёрнутое в кольцо. Дополнительные измерения теории струн свёрнуты в так называемые многообразия Калаби-Яу — шестимерные геометрические объекты такой сложности и красоты, что от их визуализаций у математиков начинается что-то вроде эстетического оргазма.
Браны: мембраны мироздания
Но одними струнами дело не ограничилось. В 1990-х годах физики обнаружили, что теория струн включает в себя объекты и других размерностей — браны (от слова «мембрана»). Есть нульмерные браны (точки), одномерные (те самые струны), двумерные (поверхности), трёхмерные и так далее вплоть до девятимерных. Это как конструктор Lego, только детальки имеют от нуля до девяти измерений.
И тут начинается самое интересное. Согласно одной из версий теории — М-теории — наша Вселенная может быть трёхмерной браной, плавающей в одиннадцатимерном пространстве, которое физики называют балком (от английского bulk — объём). Мы буквально живём на поверхности многомерной мембраны, как бактерии на кусочке хлеба, и не имеем ни малейшего понятия о том, что за пределами нашего «хлеба» существует целая кухня.
Более того, в этом многомерном балке могут плавать другие браны — другие вселенные, параллельные нашей. Они могут находиться буквально в миллиметре от нас в направлении дополнительного измерения, но мы никогда их не увидим и не коснёмся, потому что все наши частицы, все наши силы (кроме гравитации) привязаны к нашей бране, как заключённые к тюремному двору.
Гравитация, кстати, в этой модели — особый случай. Она может «просачиваться» в дополнительные измерения, потому что переносящие её гравитоны — это замкнутые струны, не привязанные к бранам. Это объясняет, почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил. Она просто размазана по всему многомерному пространству, тогда как электромагнетизм и ядерные силы сконцентрированы на нашей маленькой бране. Мы ощущаем только жалкую долю истинной гравитационной мощи.
Почему мы заперты в своей клетке
Наши органы чувств — это детекторы, настроенные на очень узкий диапазон реальности. Глаза видят только крошечный кусочек электромагнитного спектра. Уши слышат только определённые частоты колебаний воздуха. Кожа чувствует только макроскопические объекты. Мы — существа, созданные эволюцией для одной-единственной цели: передать свои гены следующему поколению. А для этого не нужно понимать квантовую механику или видеть в инфракрасном диапазоне.
Наш мозг эволюционировал в африканской саванне, где главными проблемами были саблезубые тигры и поиск еды. Способность воспринимать дополнительные измерения не давала никаких репродуктивных преимуществ. Более того, она могла бы быть помехой — зачем тратить вычислительные ресурсы мозга на обработку информации, которая не помогает выживать?
В результате мы имеем то, что имеем: биологический компьютер, оптимизированный для решения задач плейстоцена, который пытается понять устройство Вселенной. Это как если бы калькулятор из 1970-х пытался запустить современную видеоигру. Технически невозможно, но калькулятор об этом не знает и честно пытается.
Однако у нас есть одно преимущество: математика. Этот странный язык, который мы каким-то чудом способны понимать, позволяет нам описывать вещи, которые мы не можем увидеть, пощупать или вообразить. Мы можем оперировать тензорами в многомерных пространствах, не имея ни малейшего представления о том, как они «выглядят». Математика — это протез для нашего ограниченного восприятия, костыль для хромающей интуиции.
Что это меняет для нас, смертных
Ну хорошо, скажете вы, допустим, эти измерения существуют. И что? Как это влияет на мою жизнь? Я по-прежнему буду ходить на работу, платить ипотеку и ругаться с соседями из-за парковки. Дополнительные измерения не помогут мне похудеть к лету.
И вы будете правы. В практическом смысле существование дополнительных измерений никак не влияет на нашу повседневность. Они слишком малы, слишком далеки от нашего масштаба, чтобы иметь какие-либо последствия для макроскопического мира. Но философские и мировоззренческие последствия — колоссальны.
Во-первых, это радикальный удар по нашему антропоцентризму. Мы уже пережили несколько таких ударов: Коперник выкинул Землю из центра Вселенной, Дарвин выкинул человека из центра творения, Фрейд выкинул сознание из центра психики. Теперь выясняется, что само наше восприятие реальности — лишь тень, отбрасываемая многомерным миром на стену нашей трёхмерной пещеры.
Во-вторых, если браны реальны, то где-то в миллиметре от нас (но в непостижимом направлении) могут существовать целые вселенные со своими галактиками, звёздами и, возможно, разумными существами. Существами, которые так же не подозревают о нас, как мы — о них. Это ставит под вопрос само понятие «всей Вселенной» и открывает дверь к мультивселенной — бесконечному ансамблю миров.
В-третьих, и это самое головокружительное, теория струн намекает на то, что наши фундаментальные понятия о пространстве и времени — иллюзии. Пространство-время может быть эмергентным феноменом, возникающим из чего-то более глубокого, как температура возникает из движения молекул. Мы цепляемся за свои три измерения, как ребёнок за любимую игрушку, не понимая, что игрушка — лишь отражение чего-то большего.
Есть горькая ирония в том, что самые фундаментальные истины о нашей Вселенной могут навсегда остаться за пределами экспериментальной проверки. Энергии, необходимые для «прощупывания» планковских масштабов, превосходят возможности любого мыслимого ускорителя. Мы можем математически описывать дополнительные измерения, строить красивые теории, но, возможно, никогда не сможем их непосредственно подтвердить. Это как быть слепым, которому рассказали о существовании цвета: ты знаешь, что он есть, но никогда не увидишь.
И всё же человечество продолжает биться головой об эту стену. Физики тратят карьеры на разработку теорий, которые, возможно, невозможно проверить. Математики исследуют пространства, которые никто никогда не посетит. Философы спорят о природе реальности, которую никто никогда полностью не постигнет. Это либо высшее проявление человеческого духа, либо коллективное безумие. А может, и то и другое одновременно.
Вы просыпаетесь утром в своём трёхмерном мире, варите кофе, проверяете ленту новостей. И где-то там, в скрученных измерениях, которых вы не можете даже представить, возможно, вибрируют струны, из которых соткана сама ткань реальности. Вы — часть этой музыки, даже если не слышите её. Заключённый, который не знает, что за стенами его камеры простирается бесконечность. Но, по крайней мере, теперь вы знаете, что стены существуют. А это уже кое-что.