Маленькая книга о Большом взрыве

Теории струн сопутствовала череда математических успехов. Самый громкий сопутствовал теоретикам, создавшим уравнение энтропии черных дыр (первым о ней заговорил Яаков Бекенштейн, после чего теория была развита Хокингом). Мы не будем говорить об энтропии черных дыр подробно, хотя это открытие тесно связано с пониманием того, что черные дыры все-таки имеют температуру. Теория струн также предполагает существование частицы, носителя гравитации и передающей ее другим частицам. Эта частица называется гравитон, и о ней я кратко расскажу.

Появление планковской длины в теории струн четко показывает, что эта теория на самом деле может описывать Вселенную на самом раннем этапе ее существования. В этом заключается еще одна серьезная трудность. До сих пор теория струн имеет мало общего с другими областями физики. В частности, ее не удалось подтвердить ни одним экспериментом, поставленным на Земле. Более того, версия Вселенной, включающая в себя десять измерений, основана на концепции из физики частиц, известной как принцип суперсимметрии

. Это явление объединяет частицы материи вроде протонов с частицами поля вроде фотонов в более широкую группу. У нас нет экспериментальных доказательств суперсимметрии, однако результаты, полученные в ходе работы Большого адронного коллайдера, похоже, исключают все иные более простые версии.

Более того, изначально теория суперструн оказалась привлекательна тем, что лишь одна ее версия была математически последовательной. Однако в настоящее время уже выдвинуто 10⁵⁰⁰ различных версий, расширяющих набор вариантов до явления, получившего название ландшафт теории струн

. Этот ландшафт напоминает мультивселенную из главы 12. Можно возразить, что любая теория, допускающая существование 10⁵⁰⁰ Вселенных, ничего на самом деле не предполагает – и это будет вполне разумным и серьезным замечанием.

* * *

Другая теория, уступающая теории струн по популярности, называется петлевой квантовой гравитацией. Она ограничивается квантованием гравитации и не претендует на роль теории всего. С теорией струн ее сближает то, что базовым элементом в ней является петля. Ее размер примерно соответствует планковской длине, но при этом петли в петлевой гравитации являются четырехмерными. Их и правда можно рассматривать не как существующие в пространстве-времени, а скорее как служащие его базовыми строительными блоками. Вычисления, связанные с петлевой гравитацией, также воспроизводят энтропию черных дыр Бекенштейна. В контексте петлевой гравитации просто бессмысленно говорить о длине и времени короче планковских длины и планковских отрезков времени. Пространство и время сами оказываются квантованными, и мы можем представить пространство-время в виде гибкой сетки, чьи ячейки имеют планковскую размерность. Пожалуй, оно также напоминает то, что задолго до появления петлевой гравитации было принято называть квантовой пеной

.

До сих пор я не затрагивал еще одну важную характеристику, отличающую квантовую механику от физики Ньютона, хотя эта характеристика идет нога в ногу с принципом неопределенности. Квантовая механика является вероятностной теорией. В отличие от механики Ньютона, говорящей нам именно о том, где частицы окажутся в будущем с учетом их нынешнего расположения и скорости, квантовая механика говорит нам лишь о вероятности, с которой частица окажется в определенном месте в определенное время.

Таким образом, вполне возможно, что в планковскую эру не существовало ничего, что можно было бы определить как «один сантиметр» или «одна секунда». Квантовая пена требует вероятностных описаний, которые «кристаллизуются» в нашу Вселенную, только по окончании планковской эры.

Как квантовая теория гравитации может предотвратить сингулярность? Квантовые флуктуации создают давление, проявляющееся во многом так же, как расталкивающая сила в виде космологической постоянной. Если эта сила достаточно велика, она может действовать на Вселенную и в планковскую эру. Окончательный результат зависит от конкретной модели Вселенной, которых слишком много, чтобы перечислять. И хотя предполагается, что петлевая квантовая гравитация способна решить проблему сингулярности, ни одна теория квантовой гравитации еще не решила проблему космологической постоянной, то есть не ответила на вопрос, почему сегодня космологическая постоянная имеет ту величину, которую имеет.