Как выглядит «теория всего»?

Давайте вихрем пронесёмся по некоторым из идей, которые физики выдвинули в своих поисках «теории всего». Это не будет исчерпывающим перечнем объяснений — скорее дегустацией, итоговой сводкой концепций, оказавших влияние на общественное сознание.

Важно, однако, помнить, что не все эти идеи независимы и что математические приёмы, использованные в них, могут оказаться взаимосвязанными и пересекающимися.

Суперсимметрия

Физики любят симметрию. Она придаёт красоту уравнениям, лежит в основе законов сохранения, проясняет общую картину Вселенной.

Оказывается, существует особая симметрия, лежащая в основе стандартной модели физики частиц: шесть видов кварков сопряжены с шестью видами лептонов, каждый из которых представлен парами частиц в порядке увеличения массы^*. Физики привыкли описывать их свойства в математических терминах теории групп, которая охватывает такие виды симметрии.

Некоторые физики задались вопросом, не можем ли мы расширить стандартную модель, накладывая на неё дополнительную симметрию, в результате чего в ней появятся добавочные частицы. При этих условиях у электрона будет суперсимметричный двойник, сэлектрон, а у каждого кварка — скварк. Суперсимметричные партнёры есть и у других частиц: например, у W- и Z-бозонов они называются ви́но и зи́но. Где-то в этой мешанине частиц, возможно, скрывается и гравитон, частица, ответственная за перенос силы гравитации.

Эта теория математически элегантна, она связывает висящие концы, устраняет нестыковки стандартной модели — и, тем не менее, она неверна. Доказательств существования сэлектронов и скварков не обнаружено: эксперименты на Большом Адронном Коллайдере CERN, крупнейшей в истории научной установке, построенной для тестирования границ применимости стандартной модели, не дали никаких намёков на их реальность.

Физики, отчаянно пытающиеся спасти эту теорию, предположили, что суперсимметричные частицы настолько массивны, что их трудно получить при энергиях, обеспечиваемых Коллайдером. Но чтобы оправдать это допущение, приходится отказаться от некоторых лежащих в основе модели видов симметрии.

Для теории, которая предполагается суперсимметричной, это большой удар. И хоть ещё есть те, кто корпит над изобретением математических приёмов, которые заставили бы суперсимметрию работать, многие убеждены, что этот путь не ведёт к свету.

Теория струн

Теория струн пытается объединить гравитацию и остальные силы, спускаясь на самый нижний, фундаментальный уровень строения материи. В картине мира на этом уровне всё сделано из одних и тех же первоэлементов — крохотных колеблющихся струн.

Из струн состоят электроны и кварки; колебания струн рассказывают вам о свойствах, определяющих тот или иной объект. И, хоть это может показаться сумасшедшей фантазией, но у этих вибрирующих струн есть математические свойства, очень заманчивые для физиков: они делают струны очень похожими на частицы, которые мы наблюдаем.

Эта теория органически описывает силу гравитации: гравитон оказывается просто одной из колеблющихся струн. Вся картина выглядит так просто! Всё, абсолютно всё на основном уровне состоит ровно из одних и тех же элементов.

Но, чтобы теория струн заработала, требуется крайне запутанная математика. Одна из самых затруднительных её деталей заключается в том, что для обеспечения колебаний струн нужны дополнительные измерения пространства — и не одно, не два и не три. В некоторых версиях теории струн у Вселенной должно быть 26 измерений.

«Где же все эти измерения?» — кричат критики. Но специалисты по струнам быстро придумали отговорку, которую назвали компактификацией. Любое нежелательное измерение, которого мы в обычных обстоятельствах не наблюдаем, аккуратно свёрнуто или скатано в комочек, чтобы не доставлять лишних хлопот.

Струнные теоретики упорно развивают математический аппарат своей теории. Оказывается, однако, что предполагаемый размер струн настолько мал, что нет никакой надежды добраться до них даже при помощи Большого Адронного Коллайдера.

Чтобы экспериментально протестировать существование струн, потребовался бы коллайдер размером с Млечный Путь! Построить такую установку пока, видимо, не удастся, и разработчикам теории струн остаётся лишь продолжать свои математические игры. В отсутствие каких-либо экспериментальных доказательств некоторые противники теории струн договорились до того, что даже не считают её настоящей наукой!

M-браны

То, что из теории струн не удалось сделать «теорию всего», не мешает людям продолжать попытки открытия новых горизонтов. Теория струн переросла в M-теорию, разработанную в 1995 году Эдвардом Виттеном. Объясняя, почему он дал своей теории такое название, Виттен предложил подставлять вместо буквы M слова «магия», «мистика» или «мембрана» — по вкусу читателя.

Если отодвинуть в сторону этот неловкий юмор, то основная идея новой теории такова: на месте одномерных струн мы разворачиваем протяжённые структуры — мембраны (или, для краткости, браны), заполняющие некоторое многомерное пространство и взаимодействующие в нём. Как и струны, браны составляют основу всего и являются фундаментальными элементами Вселенной.

Как это было и с теорией струн, есть надежда, что где-то в математических дебрях найдётся особая форма вибрирующей мембраны, которая позволит описать действие гравитации. Но и здесь, как и в теории струн, требуется адски сложная математика. Кроме того, M-теория не сводится к какой-то одной идее — их целый букет, и у каждой свои специфические предположения и ограничения.

M-теория похожа на теорию струн не только математическими трудностями, но и ограничениями возможностей экспериментального тестирования. Имеют ли хоть что-то общее с реальностью и физическим миром вокруг нас математические преобразования, заполняющие тысячи страниц академических журналов мира?

Ускорители частиц и детекторы гравитационных волн не дали пока никаких доказательств правоты M-теории, в то время как в кабинетах и аудиториях всего мира некоторые из самых светлых умов планеты продолжают заполнять белые доски аналитическими выкладками.

Что же, может быть, в один прекрасный день M-теория окажется нашим окончательным описанием физической реальности. А может быть, тихо отойдёт в прошлое — если люди устанут от скуки и разочарования тем, что им никак не удаётся добиться от этой теории ни удачных предсказаний, ни экспериментальных доказательств.

Петлевая квантовая гравитация

Некоторые физики размышляют о том, нет ли другого способа объединить гравитацию с квантованной природой остальных сил. Возможно, говорят они, гравитация — квантовое явление, но не в том смысле, в каком квантовыми явлениями можно назвать остальные силы.

Эйнштейн объяснил, что гравитация — результат искривления пространства и времени. Что, если квантовать сами пространство и время, расщепив их на крохотные дольки? Это и есть основная идея петлевой квантовой гравитации.

Так как эта теория содержит искривлённое, хоть и разбитое на мелкие части пространство и время, гравитация в ней уже присутствует, тогда как игра остальных сил разворачивается на квантованном фоне.

Вы, может быть, хотите спросить, откуда в названии теории слово «петлевая», но имейте в виду, что именно здесь в её основной идее и появляются некоторые странности.

Малые частички пространства и времени как бы сплетены в единую матрицу или сеть, так что, если бы мы могли глубоко заглянуть в структуру пространства-времени на самом малом масштабе, мы увидели бы при большом увеличении что-то вроде полотна вязаного шерстяного свитера: она вся состояла бы из переплетающихся и продетых друг в друга петель. Есть даже кое-какие идеи о том, как из этого переплетения вырастает будущее, подобно тому, как на вязальной машине из готовой петли вытягивается следующая.

Один из философских вопросов, вокруг которого глубокие умы ломают копья с тех пор, как Эйнштейн записал свои уравнения, заключается в том, что прошлое, настоящее и будущее присутствуют в мире одновременно, зашифрованные в математической форме.

В блочной Вселенной общей теории относительности нет никакого «разворачивающегося будущего», и, так как оно уже записано, вопрос о существовании свободной воли и нашего восприятия времени остаётся открытым. Тот же вопрос встанет перед любой теорией, построенной на основе этого представления о ткани пространства-времени.

«Но не перед нами!» — говорят нам создатели петлевой квантовой гравитации. В этой теории будущее ещё только предстоит сплести, и свободная воля вне опасности! Но математические трудности квантовой гравитации, как и в теории струн и в M-теории, огромны, идеи ещё не вполне оформились, и экспериментальные доказательства точно так же пока не получены.

… и многие другие теории

Мы рассмотрели многие, но далеко не все возможные пути к построению «теории всего». Физики отчаянно пытаются найти решение этой задачи, выдвигая множество идей, часть из которых основана на весьма радикальных воззрениях на фундаментальное строение Вселенной.

Но любой интересующийся новостями науки читатель мог бы заключить: большинство этих идей получают гораздо большее освещение в прессе, чем они заслуживают по своей предсказательной силе или по адекватности описания реальности.

Куда нас приведёт «теория всего»?

Уже около столетия величайшим умам человечества не удаётся построить убедительной «теории всего». Но мы продолжаем мечтать о ней! А вдруг завтра мы проснёмся и узнаем, что кто-то расколол этот орешек, и у нас теперь есть единая теория, охватывающая как гравитацию, так и остальные силы?

Невозможно угадать, когда и откуда придёт это решение, кто из молодых университетских исследователей на физическом или математическом факультете в каком-то уголке мира испытает озарение — и всё станет ослепительно ясно. Его, конечно, будет ждать Нобелевка. Но что же именно мы узнаем? Что рассчитываем открыть во Вселенной?

Мы уже назвали два наиболее загадочных места: центральные области чёрных дыр и точка рождения Вселенной. Что же там можно найти?

Согласно эйнштейновской общей теории относительности, как только масса коллапсирует ниже критической точки так, что окажется целиком под горизонтом событий, ничто не может остановить её продолжающегося коллапса вплоть до обращения в ничто, до образования сингулярности. И, если мы остаемся в рамках лишь одной теории относительности, получается, что гравитация всегда преодолевает действие остальных сил, сжимая массу всё сильнее и сильнее до нулевого объёма.

Но в рамках нашей «теории всего» мы сможем понять истинную взаимосвязь сил. Многие физики считают, что, когда плотность вещества становится исключительно высокой, что мы и наблюдали бы при образовании чёрной дыры, дело вовсе не сводилось бы к доминированию гравитации и фактическому исчезновению всех остальных сил.

Напротив, когда гравитация растёт, растут и другие силы, сопротивляясь полному коллапсу в ничто. Действие квантовых сил приведёт к тому, что вместо образования в сердце чёрной дыры бесконечно плотной сингулярности там может сформироваться сверхмалое, сверхплотное ядро, в котором не будет бесконечностей, требуемых эйнштейновской теорией гравитации.

Да, чёрные дыры причудливы, невероятно эксцентричны и полны крайностей, но бесконечностей в них нет! И физики, которым больше не надо беспокоиться о существовании во Вселенной реальных, физических бесконечностей, могут теперь спать спокойно.

Поможет ли нам потенциальная «теория всего» лучше разбираться в том, что происходит в чёрных дырах? Здесь мы определённо переходим в область домыслов. Возможно, всё, на что мы можем рассчитывать, это понимание, что у чёрной дыры очень — но не бесконечно — плотное ядро.

Некоторые, правда, считают, что там могут происходить другие, более странные вещи. Огромные силы тяготения в центре чёрной дыры могут пробить дыру в ткани Вселенной, создав так называемую кротовую нору — туннель в другую точку пространства, в другое время или даже в другую Вселенную. Это похоже скорее на научную фантастику, но эйнштейновская математика намекает на возможность существования таких удивительных образований. Фантастика может вдруг оказаться реальностью.

А что можно сказать о рождении Вселенной? Согласно Эйнштейну, всё пространство, всё время и вся материя обрели существование в момент Большого Взрыва. Но, как и в случае центров чёрных дыр, наша математика даёт здесь эффект бесконечности: гравитация доминирует, а остальные силы уходят на второй план. И, как было и с чёрными дырами, мы рассчитываем, что от этих бесконечностей можно будет отказаться, как только мы поймём истинную взаимосвязь между гравитацией и остальными силами. Каких же открытий мы ждём в этом случае?

Возможно, в общих чертах эйнштейновская картина верна. Возможно, пространство и время действительно начали существовать в исходный момент образования Вселенной. Возможно, наш математический аппарат неспособен увести нас дальше, и на вопрос «откуда взялась Вселенная?» ответа нет. Но большинство физиков с этой идеей смириться не могут и не считают, что она верна.

Основываясь на некоторых деталях уравнений Эйнштейна, многие полагают, что наша Вселенная — не начало всего, что она происходит из некоей предшествовавшей ей структуры. Как мы уже замечали в предыдущей главе, конец нашей Вселенной может вести к рождению новой, и этот процесс может указать на происхождение нашего собственного мира. Может быть, он был порождён гибелью массивной звезды в предыдущей Вселенной — звезды, коллапс которой привёл к образованию новой чёрной дыры, и от той, в свою очередь, отпочковалась новая Вселенная.

Или, может быть, наша Вселенная родилась в результате процесса, который для нас сейчас почти непредставим? Без математического языка, описывающего совместное действие гравитации и остальных сил, мы о нём можем только догадываться.

Чего ещё мы можем ждать от «теории всего»? Вспомним, что в нашем понимании Вселенной ещё зияет несколько лакун — и вот их-то новая теория может заполнить. В частности, в рамках стандартной модели физики частиц, которая очень хорошо объясняет все результаты экспериментов на Большом Адронном Коллайдере, мы сейчас не можем ничего сказать о «тёмной стороне» Вселенной — тёмной энергии и тёмной материи, которые в целом доминируют в космосе.

Как мы уже видели, многие физики предложили свои расширения стандартной модели, но сегодня ни одно из них не предсказывает, какими могут быть частицы тёмной материи. Они не наблюдаются ни в одном эксперименте на ускорителях и никак не проявляются в астрономических наблюдениях.

Ещё большую загадку представляет собой тёмная энергия: казалось бы, Вселенная прекрасно могла бы обойтись без неё. Почему она вообще существует? Сейчас многие полагают, что она имеет какое-то отношение к квантовой природе вакуума, но все теоретические вычисления демонстрируют прискорбную беспомощность попыток как-либо объяснить её природу.

_{Отрывок из книги Криса Ферри, Герайнта Фрэнсиса Льюиса «Как появилась Вселенная. Большие и маленькие вопросы о космосе». М.: Издательство Бомбора (Эксмо), 2024.}