Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Итак, теперь мы имеем Стандартную модель элементарных частиц. Ее компоненты — это квантовые поля и различные элементарные частицы, представляющие собой кванты этих полей: фотоны, W⁺, W

^— и Z⁰

-частицы, восемь глюонов, шесть типов кварков, электрон и два типа подобных ему частиц, а также три типа почти безмассовых частиц, называемых нейтрино. Уравнения этой теории не случайны; они тесно связаны с различными принципами симметрии и с условиями исключения бесконечностей.

При этом Стандартная модель, очевидно, не является окончательной теорией. В ее уравнения входит множество параметров, например массы кварков, которые нужно получать экспериментально, и мы не понимаем, почему они имеют именно такие значения. Более того, Стандартная модель не описывает самую привычную и давно известную силу — силу гравитации. Обычно мы описываем гравитацию с помощью теории поля — общей теории относительности, однако это не квантово-полевая теория с исключенными бесконечностями по типу Стандартной модели.

Начиная с 1980-х гг. огромное количество сложных математических работ было посвящено развитию квантовой теории, фундаментальными компонентами которой были бы не частицы или поля, а тонкие струны. Различные моды колебаний этих струн мы видим как различные типы элементарных частиц. Одна из таких мод соответствует гравитону, кванту гравитационного поля. Если теория струн окажется верна, это не означает, что теории поля, такие как Стандартная модель или ОТО, станут неверными; просто их значение понизится до эффективных теорий, приближений, справедливых на масштабах расстояний и энергий, доступных для наблюдения.

Теория струн довольно привлекательна, поскольку включает в себя гравитацию, не содержит бесконечностей, а ее структура тесно связана с условиями математической согласованности, то есть теория струн всего одна. К сожалению, несмотря на то что мы до сих пор не знаем точный вид уравнений, лежащих в основе теории струн, есть причины полагать, что, какими бы эти уравнения не были, они имеют огромное количество решений. Я был поклонником теории струн, однако меня огорчает то, что пока никому не удалось найти решение, соответствующее наблюдаемому нами миру.

Проблемы физики элементарных частиц и космологии все чаще пересекаются. Существует классическая загадка космологии: почему Вселенная настолько однородна? За 13,8 млрд лет с того момента, как Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения, никакому физическому взаимодействию не хватило бы времени, чтобы связать те части Вселенной, которые мы видим в различных по отношению к себе направлениях, и чтобы наблюдаемое распределение плотности и температуры во Вселенной вследствие этого всюду стало бы однородным. В начале 1980-х гг. выяснилось, что различные квантово-полевые теории предсказывают предшествующий моменту формирования атомных ядер период инфляции, когда Вселенная расширялась экспоненциально. Высокооднородные малые области во время инфляции должны были расшириться до размеров, превышающих современные размеры наблюдаемой Вселенной, оставаясь при этом приблизительно однородными. Конечно, это всего лишь гипотеза, однако она оказалась чрезвычайно успешной. Расчеты показывают, что квантовые флуктуации в процессе инфляции должны были запустить через несколько тысяч лет что-то вроде хаотических волн, отзвуки которых мы сегодня наблюдаем в виде фонового реликтового излучения.

Инфляция хаотична по своей природе. Каждый пузырь, сформировавшийся в расширяющейся Вселенной, в итоге разорвался своим большим или маленьким взрывом, и для всех них, вероятно, характерны различные наборы величин, которые мы обычно называем фундаментальными константами. Обитатели (если таковые есть) одного пузыря не могут видеть другие пузыри, поэтому их пузырь кажется им всей вселенной. Полный набор всех таких вселенных получил название Мультивселенной.

В этих пузырях могут быть реализованы все возможные решения уравнений теории струн. И если так, тогда надежда найти рациональное объяснение точным значениям массы кварков и другим константам Стандартной модели, которые характерны для нашего Большого взрыва, обречена, поскольку это всего лишь случайные значения, установившиеся в той конкретной части Мультивселенной, где мы живем. Нам придется довольствоваться огрубленным вариантом антропного принципа для объяснения некоторых аспектов наблюдаемой Вселенной: любые живые существа, вроде нас с вами, которые могут изучать Вселенную, должны находиться в той ее части, в которой фундаментальные константы допускают эволюцию жизни и разума. Человек действительно может оказаться мерой всех вещей, хоть и не совсем в том смысле, который подразумевал Протагор[40].