Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

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.