Таинственные явления природы и Вселенной

Теория вечной инфляции открывает путь к прояснению проблемы космологической постоянной и тонкой настройки других фундаментальных констант. Но что же с физикой элементарных частиц?! Она по-прежнему предсказывает, что космологическая постоянная точно равна нулю. Вычисленные на основе так называемой Стандартной модели вклады в плотность энергии вакуума (между прочим, вычисленные на основании тончайших измерений фундаментальных констант) как будто сговорились компенсировать друг друга с высочайшей, порядка 1/10120 точностью!

Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель также предсказала наличие и свойства новых элементарных и субэлементарных частиц, которые все были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория. Но и у нее есть проблемы, причем касающиеся не только космологической постоянной.

Прежде всего, Стандартная модель слишком громоздкая. Мир не может так «вязнуть в зубах»! Модель включает в себя более 60 элементарных частиц — не слишком большой шаг вперед по сравнению с количеством элементов таблицы Менделеева. В модели 25 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны.

Далее, гравитация — важнейшее взаимодействие (правда, наиболее важное как раз в космологии) — остается за бортом модели. Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.

Большинство физиков ныне возлагают надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации — теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий и является самым многообещающим из всех кандидатов на роль универсальной теории. Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с так называемой планковской длиной (это размер, для которого становятся существенными разные диковинные квантовые эффекты, не подчиняющиеся обычным физическим законам). Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала, она составляет всего лишь 1,6 × 10–35 м (одну миллиардно-триллионно-триллионную долю сантиметра).

Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, ее нельзя построить без гравитации.

Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. До недавнего времени у ученых не было квантовой теории гравитации — то есть теории гравитации на уровне элементарных частиц. Не было даже намеков на сколько-нибудь вразумительную форму такой теории. Эта проблема связана с квантовыми флуктуациями самой геометрии пространства-времени. Ниже некоторого критического размера, который как раз и есть наша планковская длина, пространство-время теряет гладкость и непрерывность, а главное — точную определенность и превращается в хаотическую, пенообразную структуру. Это так называемая пространственно-временная пена.

Пространство неистово закручивается и сминается, крошечные «пузырьки» отрываются от него и немедленно коллапсируют, возникает и мгновенно исчезает множество «ручек» или «туннелей». Практически в любых сколько-нибудь больших масштабах пространство выглядит гладким и пространственно-временная пена просто незаметна.

В теории струн крошечные струнные колечки не изменяются в размерах; они невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.

В струнной теории нет произвольных, подстраиваемых параметров, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна.