Почему математически красивая вселенная — ещё не значит реальная
Вы когда-нибудь открывали меню в ресторане на двести позиций?
Выглядит как бесконечный выбор. Но официант через минуту говорит: вот этого нет, это сезонное — закончилось, это только на заказ за три дня, это вообще убрали но забыли вычеркнуть. В итоге реально доступных блюд — от силы двадцать.
Примерно так выглядит ситуация с вселенными в современной физике.
Теория струн нарисовала меню на 10⁵⁰⁰ позиций — это единица с пятьюстами нулями, число настолько огромное, что атомов во всей видимой Вселенной «всего» 10⁸⁰. Каждая позиция — отдельная вселенная с уникальным набором физических законов. Своими частицами, своими силами, своей историей.
А потом пришёл Кумрун Вафа из Гарварда и начал вычёркивать.
Как физики случайно создали каталог вселенных
Чтобы понять, откуда взялся этот бесконечный каталог, нужно сделать шаг назад.
Теория струн утверждает: пространство на самом деле не трёхмерное. Измерений десять или одиннадцать. Лишние шесть или семь свёрнуты в крошечные геометрические узелки — их называют многообразиями Калаби-Яу.
Представьте обычный садовый шланг. Издалека — просто линия, одно измерение. Подойдёте ближе — увидите, что у шланга есть окружность, второе измерение. Дополнительные измерения в теории струн устроены похоже: они есть, просто свёрнуты настолько туго, что мы их не замечаем. А форма этого «узелка» — как именно он свёрнут, какой у него профиль, сколько «дырок» внутри — определяет всё: массы частиц, константы взаимодействия, скорость расширения пространства.
Разные узелки — разные физики. Разные вселенные.
Таких вариантов оказалось 10⁵⁰⁰. Леонард Сасскинд из Стэнфорда в 2003 году назвал это «ландшафтом» — и физическое сообщество раскололось. Одни пришли в ужас: если вселенных столько, то объяснить параметры нашей через теорию невозможно. Можно только пожать плечами — нам повезло с вселенной, потому что иначе нас бы не было. Антропный принцип. Многие посчитали это концом науки.
Вафа задал другой вопрос. Тихий, но разрушительный.
А эти 10⁵⁰⁰ вселенных вообще существуют?
Болото
Вот аналогия, которая помогает почувствовать суть.
Представьте архитектора, который рисует проекты домов. Он может нарисовать что угодно — башню на одной опоре, здание с центром тяжести над краем, мост без единой опоры посередине. На бумаге всё корректно: линии ровные, углы выверены, чертёж красивый.
Но строитель посмотрит и скажет: вот этот проект, этот и этот — в болоте. Физически не построить. Гравитация не позволит. Можно сколько угодно любоваться чертежом — он никогда не станет зданием.
Swampland — «болото» — именно это. Область теорий, которые выглядят самосогласованными на бумаге, но несовместимы с квантовой гравитацией. Математически красивы. Внутренне непротиворечивы. Но физически нереализуемы — природа их не допускает.
Кумрун Вафа — иранец по происхождению, пришедший в физику через чистую математику, один из самых цитируемых теоретиков своего поколения — вместе с коллегой Хирози Огури из Калтеха начал формулировать конкретные критерии болота. Не расплывчатое «это выглядит неправильно», а чёткие утверждения: если теория обладает такими-то свойствами — она в болоте. Физически мертва.
С 2005 года таких критериев накопилось больше двадцати. Георгиос Палти из Барселонского института науки и технологий собрал их все в один обзор. «Это не случайный набор запретов», — говорит он. «За ними стоит единый принцип — который мы пока не понимаем».
Самое неудобное совпадение
Среди всех гипотез болота есть одна, от которой особенно неловко.
Она называется de Sitter conjecture. Суть простая: вселенные с ускоренным расширением в теории струн либо нестабильны, либо вообще невозможны.
Наша Вселенная расширяется с ускорением. Это не гипотеза — это наблюдение 1998 года, Нобелевская премия 2011-го. Сотни независимых подтверждений.
Получается примерно следующее. Вы приходите к врачу. Он смотрит на анализы и говорит: «По всем параметрам, человек с такими показателями существовать не может». Вы стоите перед ним живой. Он чешет затылок.
Либо гипотеза болота неверна. Либо мы что-то фундаментально не понимаем про нашу Вселенную. Либо — самый тревожный вариант — она находится в неустойчивом состоянии и когда-нибудь это закончится. Оговорка важная: de Sitter conjecture — именно гипотеза, часть физиков её оспаривает. Но сам факт, что это противоречие существует и не решено — уже говорит о многом.
Все варианты одинаково неудобны.
Философский облом
Казалось бы — Swampland программа должна решить проблему ландшафта. Не 10⁵⁰⁰ вселенных, а значительно меньше. Природа сама убирает лишнее из меню.
Но тут начинается зона честного незнания.
Все гипотезы болота — именно гипотезы. Не теоремы. Строгих доказательств нет. Сасскинд, создатель самого понятия ландшафта, скептичен: мы слишком мало знаем о полном пространстве решений теории струн, чтобы делать такие глобальные выводы.
И есть более глубокий вопрос, на который пока никто не знает ответа: почему природа выбирает именно эти запреты? Что стоит за самим принципом болота?
Палти честен: «Мы видим паттерн. Но не видим причину».
Мы составили карту, на которой чётко обозначено болото. Но не знаем, кто его туда поместил — и по каким правилам.
И тут физики разводят руками. Дальше — темнота.
Эпилог
Вернёмся к библиотеке.
Борхес представлял её бесконечной и случайной — море бессмысленных книг, в котором тонут редкие осмысленные. Swampland программа говорит: всё сложнее. Большинство книг не просто бессмысленны — они написаны на языке, которого не существует. На алфавите, который природа не признаёт. Красивые. Внутренне согласованные. И физически невозможные.
В этом есть что-то неожиданно обнадёживающее. Наша Вселенная — не случайный выигрыш в лотерее с 10⁵⁰⁰ билетами. Она прошла жёсткий фильтр. Из бесконечного каталога возможного — природа выбрала именно этот вариант. Допустила его.
Мы просто пока не знаем — почему именно его.
И это, пожалуй, самый красивый вопрос из всех, что у нас есть.
А вы как думаете — утешает или пугает мысль, что наша Вселенная могла бы просто не существовать? Напишите в комментариях.
******
Я пишу о физике, математике и геометрии реальности — без формул, но с уважением к интеллекту читателя. Все материалы серии доступны на канале.
******
Серия «Геометрия реальности»
- Болото и Ландшафт — почему большинство вселенных запрещены ← вы здесь
******
Источники:
- Vafa, C. The String Landscape and the Swampland // arXiv:hep-th/0509212. — 2005 — основополагающая статья
- Ooguri, H.; Vafa, C. On the Geometry of the String Landscape and the Swampland // Nuclear Physics B. — 2007
- Palti, E. The Swampland: Introduction and Review // Fortschritte der Physik. — 2019 — главный обзор
- Susskind, L. The Cosmic Landscape. — Little, Brown, 2005
- Wolchover, N. Is the Universe Fine-Tuned for Life? // Quanta Magazine. — 2020
******
#наука #физика #вселенная #научпоп #космология #теориаструн #пространство #математика #образование #научнаяжурналистика