65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Компактификация, второй возможный вариант объяснения многомерности нашего мира, предполагает, что все дополнительные измерения свернуты в маленькие (даже микроскопические) колечки – именно поэтому нам они невидны. Аналогично тому, как нам кажется одномерным натянутый где-то вдалеке кабель линии электропередач – с нашей точки зрения у него есть всего одно измерение. А вот какому-нибудь муравью, ползущему по этому кабелю, он представляется двумерным протяженным объектом, по которому можно двигаться не только вперед и назад, но и вокруг самого кабеля. А если этот муравей сможет прогрызть отверстие в кабеле и пролезть внутрь, то полученное пространство будет для него вообще трехмерным. Точно так же из-за своих размеров мы не способны увидеть крошечные дополнительные измерения теории струн. Тогда физики занялись исследованиями того, какими способами можно свернуть пространство. Оказалось, что таких способов огромное количество. Все они посчитаны и проклассифицированы и даже имеют специальное название – многообразия Калаби-Яу, в честь математиков Эудженио Кала́би (1923–2023) и Шинту́н Яу (род. в 1949 г.), которые впервые исследовали такие пространства и выявили их ключевые свойства.

Впоследствии идея о том, что дополнительные пространственные измерения могут быть свернуты, имела очень элегантное продолжение. Оказалось, что подобно тому, как в общей теории относительности гравитация представляется как следствие искривления пространства-времени (то есть, по сути, имеет геометрическое происхождение), в теории струн геометрия пространства-времени определяет фундаментальные характеристики частиц и их взаимодействий. То есть тот способ, которым свернуты дополнительные измерения, определяет все законы природы, с которыми мы имеем дело: массы и заряды элементарных частиц, константы их взаимодействия и даже количество этих взаимодействий. Буквально все параметры физики выводятся из геометрии пространства-времени. Однако тут на пути физиков встает так называемая проблема ландшафта теории струн – как выбрать из всех возможных способов свертки дополнительных измерений именно тот, который соответствует нашей Вселенной и всем наблюдаемым в ней явлениям? А пространство для выбора поистине огромно: приходится выбирать из 10¹⁰⁰–10⁵⁰⁰ вариантов компактификации. Ни один из суперкомпьютеров не способен решить эту задачу даже за время существования Вселенной.

Помимо описанных проблем, в теории струн также существует множество других, как чисто математических, так и экспериментальных. Из-за сложностей тех объектов, с которыми имеет дело теория струн, возникающие в ней задачи не поддаются решению известными в математике методами. Более того, существующих математических подходов оказывается недостаточно, и физикам приходится разрабатывать для теории струн новые разделы математики. Всё, что ученым до сих пор удалось получить, это приближенные решения приближенных уравнений. Кроме того, физика – это все-таки наука экспериментальная. И любые выводы теоретиков обязательно должны быть проверены на эксперименте. А теория струн (по крайней мере на том уровне, на котором она находится сегодня) требует для своей проверки настолько больших энергий, что ни один из земных ускорителей частиц не способен их достичь. Для этого потребуется ускоритель размером хотя бы с Солнечную систему.

Так что теория струн остается лишь красивой теорией, подающей большие надежды на объединение всех известных в природе частиц и взаимодействий в рамках единого формализма. Быть может, нам не хватает какого-то очень важного элемента теории, какой-то принципиально новой идеи, способной собрать воедино отдельные части теории и объяснить природу на самом фундаментальном уровне. Кто знает, возможно, именно сейчас в каком-нибудь патентном бюро новый Эйнштейн работает над идеей, которая перевернет наше понимание физики и откроет новые горизонты неведомого…

В последней части книги мы обсудим современные научные представления о рождении, эволюции и устройстве Вселенной как целого. Изучением этих вопросов занимается такой раздел, как космология. Мы отнесли все эти темы в последнюю часть книги, поскольку для их понимания нам нужно будет постоянно обращаться практически ко всем изученным ранее разделам физики – без них невозможно достаточно полно представить всю сложность и красоту нашей Вселенной и тех процессов, которые ее сформировали. Именно в космологии встречаются и работают бок о бок, несмотря на фундаментальные противоречия, два подхода неклассической физики – квантовая механика и теория относительности. Оказывается, для описания Вселенной в космических масштабах нам не обойтись без понимания квантовых законов, управляющих элементарными частицами, а для объяснения природы квантовых взаимодействий мы должны учитывать геометрию пространства-времени. Давайте посмотрим, что представляет собой Вселенная с точки зрения современной физики и какие тайны нам еще только предстоит открыть.

Часть 7 Космология

Вопрос 61. Насколько огромна наша Вселенная?