Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«Это Роб, – представляет мне парня Гарретт. – Он пришел сделать барбекю».

Гарретт празднует сегодня день рождения. Он позвал нескольких друзей, чтобы зажарить мертвых животных.

«Я думала, что барбекю будет вечером», – говорю я.

«Его конек – ребрышки, приготовленные на медленном огне, – объясняет Гарретт. – Но вы же вегетарианка, так что не сможете оценить его мастерство».

«То есть весь день будет пахнуть ребрышками?»

«Ага, – Гарретт машет рукой, будто пытается меня прогнать. – Это я выкуриваю вас на пляж».

В конце концов я все-таки иду на пляж. Морские черепахи проглядывают сквозь волны. Вода чистая, песок белый, и крупные песчинки – причудливой формы. Кристал, подруга Гарретта, объясняет мне, что песчинки делает небольшая рыба-попугай. Она грызет кораллы и, переварив их, возвращает остатки в океан. Местное название этой рыбки на гавайском языке, uhu palukaluka, переводится как «склонная к поносу». Взрослая рыба-попугай может производить больше 360 килограммов песка в год, а вся популяция, получается, – тонны и тонны.

Я обильно намазываюсь солнцезащитным кремом и погружаю большие пальцы в песок. Вот урок, который стоит выучить, думается мне: если нагромоздить большую кучу, даже дерьмо может выглядеть красиво.

Глава 8

Пространство, последний рубеж

Всего лишь скромный физик

Январь, Санта-Барбара. Я намеревалась поговорить с Джозефом Полчински в декабре на конференции в Мюнхене, но в последний момент он отменил свое участие. А сейчас он в Санта-Барбаре в отпуске по состоянию здоровья от Калифорнийского университета.

После защиты диссертации я год проработала в Санта-Барбаре, однако адрес, который дал мне Джо, привел меня в ту часть города, где я ни разу не была. Здесь роскошно. Кусты аккуратно подстрижены, машины блестят, трава зеленеет. Я петляю по узким дорогам у подножия холма, вдали от привычных райончиков дешевых студенческих общежитий. В итоге нахожу нужный дом в конце тупиковой улицы и торможу перед гаражом. Середина дня, солнечно. Мимо проезжает садовник в чем-то вроде машины для гольфа. Пальмы раскачиваются на ветру.

На мгновение мой палец замирает у звонка. Обычно я не врываюсь в дома болеющих людей. Но Джо так был воодушевлен мюнхенской конференцией, сказал, что эта тема – «Зачем доверять теоретику?» – немало занимает его мысли. Значительную часть своей жизни он изучал математику теории струн. Я приехала выяснить, почему мы должны доверять математике.

Краткая история теории струн такова: эта теория изначально развивалась как кандидат на описание сильного ядерного взаимодействия, но физики быстро поняли, что другая теория, квантовая хромодинамика, подходит для этого лучше. Тем не менее они заметили, что струны обмениваются взаимодействием, которое сильно походит на гравитацию, – и струны получили новую жизнь как претенденты на теорию всего. Идея в том, что все частицы состоят из струн в разных конфигурациях, но струнная подструктура настолько мала, что мы не способны увидеть ее на достижимых в настоящее время энергиях.

Ради согласованности специалистам по теории струн пришлось постулировать, что струны населяют мир, в котором не три пространственных измерения, а двадцать пять (плюс одно временно́е)[84]. Поскольку эти дополнительные измерения не наблюдались, теоретики предположили, что они имеют конечный размер, или «компактифицированы», – скорее как (многомерные) сферы, чем бесконечные плоскости. А так как разрешение малых расстояний требует высоких энергий, мы и не могли пока заметить дополнительные измерения, если они достаточно малы.

Далее специалисты по теории струн обнаружили, что для предохранения вакуума в их теории от распада нужна суперсимметрия. Это уменьшило общее число измерений с двадцати пяти до девяти (плюс одно для времени), однако необходимость в компактификации не отпала. Поскольку никаких суперсимметричных частиц не наблюдалось, специалисты по теории струн предположили, что суперсимметрия нарушается при высоких энергиях, вот почему суперпартнеры, если существуют, не могли еще проявиться.

Довольно скоро было замечено, что суперсимметрия, даже если нарушается при высоких энергиях, привела бы к расхождению с экспериментом, допуская взаимодействия, которые вообще-то запрещены в Стандартной модели, взаимодействия, которые никогда не наблюдались. Так была изобретена R-четность, симметрия, вкупе с суперсимметрией попросту запрещающая ненаблюдаемые взаимодействия, поскольку иначе они противоречили бы постулату о новой симметрии.

Но проблемы на этом не закончились. До конца 1990-х годов теоретики имели дело со струнами только в пространственно-временных континуумах с отрицательной космологической постоянной. Когда же она была измерена и оказалась положительной, им пришлось быстро изобретать способ, как к этому приспособиться. Они разработали конструкцию, которая работает с положительным числом, однако теория струн по-прежнему вразумительнее всего для случая с отрицательной космологической постоянной ¹⁴⁹. Над ним большинство специалистов по теории струн до сих пор и работают. Однако же он не описывает нашу Вселенную.

Все это не имело бы значения, если бы многочисленные корректировки способствовали созданию единой теории всего. Но физики, наоборот, обнаружили, что теория допускает огромное количество возможных конфигураций: все они берут свое начало от различных вариантов компактификации и приводят к разным теориям в пределе низких энергий. Поскольку существует так много способов построить теорию – по сегодняшним оценкам, 10⁵⁰⁰, – Стандартная модель, вполне вероятно, где-то среди них есть. Однако ее не нашли, а учитывая бездну возможных вариантов, не исключено, что так никогда и не найдут.

В ответ большинство специалистов по теории струн отвергли идею, будто их теория однозначно определит законы природы, и вместо этого прониклись мультивселенной, в которой все возможные законы природы где-то да реализуются. И пытаются теперь построить распределение вероятностей для мультивселенной, в соответствии с которым наша Вселенная будет по меньшей мере вероятна.

Остальные специалисты по теории струн вообще бросили ковыряться в основаниях физики и попробовали найти себе применение где-то еще – например, использовать методы теории, чтобы разобраться со столкновениями больших атомных ядер (тяжелых ионов). В таких столкновениях (их изучение тоже внесено в программу Большого адронного коллайдера) на короткое время может образоваться кварк-глюонная плазма. Поведение плазмы трудно объяснить в рамках Стандартной модели, не потому, что Стандартная модель не работает, а потому, что никто не знает, как такие вычисления делать. Поэтому специалисты по ядерной физике радушно приняли новые методы из теории струн.

К сожалению, предсказания для Большого адронного коллайдера, основанные на теории струн, не согласовывались с данными, и специалисты по теории струн тихо похоронили эту попытку ¹⁵⁰. Сейчас они утверждают, что их методы применимы для понимания того, как ведут себя определенные «странные» металлы, однако даже Джозеф Конлон, специалист по теории струн, уподобил ее применение для описания подобных веществ использованию карты Альп для путешествия по Гималаям ¹⁵¹.

Непрерывное подлаживание специалистов по теории струн под противоречащие данные стало настолько курьезным, что многие физические факультеты держат у себя нескольких таких ученых, поскольку общественность любит слушать об их героических попытках объяснить всё. Фримен Дайсон толкует популярность этого направления исследований так: «…Теория струн привлекательна, потому что создает рабочие места. А почему теория струн предоставляет так много рабочих мест? Потому что теория струн малозатратна. Если вы возглавляете факультет физики в какой-нибудь глубинке, располагая весьма скромными средствами, то у вас нет возможности оборудовать современную лабораторию для занятий экспериментальной физикой, но вы можете позволить себе нанять парочку специалистов по теории струн. Выделяете для них несколько рабочих мест – и вот у вас уже современный факультет физики»¹⁵².

Альтернативная история теории струн звучит так: теория струн изначально развивалась как кандидат на описание сильного ядерного взаимодействия, но физики быстро поняли, что другая теория, квантовая хромодинамика, подходит для этого лучше. Тем не менее они заметили, что струны обмениваются взаимодействием, которое сильно походит на гравитацию, – и струны получили новую жизнь как претенденты на теорию всего.

Примечательно, что струны естественным образом совмещаются с суперсимметрией, которая была независимо открыта как самое общее расширение пространственно-временных симметрий. Еще примечательнее, что, хотя исходно найдено было несколько различных типов теории струн, все они оказались связаны друг с другом «преобразованиями дуальности». Такие преобразования определяют объекты, описываемые в одной теории, с помощью объектов, описываемых в другой, тем самым показывая, что обе теории – альтернативные описания на самом деле одной и той же физики. Это натолкнуло специалиста по теории струн Эдварда Виттена на предположение, что существует бесконечное число теорий струн, связанных между собой, и все эти теории вбирает в себя более общая, единая «М-теория».

И струны продолжили удивлять физиков. В середине 1990-х физики заметили, что это теория не только струн, но и многомерных мембран, или, коротко, «бран». Вооружившись новым открытием, специалисты по теории струн смогли изучать многомерные аналоги черных дыр и вывели уже известные законы термодинамики обычных черных дыр. Это неожиданное соответствие убедило даже скептиков в том, что теория струн должна быть физически значимой. В то время как физика черных дыр все еще хранит свои тайны, специалисты по теории струн неумолимо приближаются к решению оставшихся проблем.

Физическая интуиция специалистов по теории струн привела еще и к математическим открытиям, особенно в отношении геометрических форм компактифицированных дополнительных измерений – так называемых многообразий Калаби – Яу ¹⁵³. Физики, например, обнаружили, что пары геометрически очень разных многообразий Калаби – Яу связаны зеркальной симметрией. От математиков эта догадка ускользнула. С тех пор она породила много дальнейших исследований. Теория струн также позволила математику Ричарду Борчердсу доказать «гипотезу чудовищного вздора», связывающую самую большую из известных групп симметрии – группу-монстра – с определенными функциями ¹⁵⁴. Хитроумная связь между теорией струн и математикой группы-монстра недавно вдохновила других ученых на то, чтобы оценить потенциальную значимость группы-монстра для понимания квантовых свойств пространства-времени.

Исследования в области теории струн также обеспечили важнейшее открытие в фундаментальной физике последних десятилетий – «калибровочно-гравитационную дуальность». Эта дуальность тоже устанавливает соответствие между структурами двух разных теорий, показывая, что обе на самом деле описывают одинаковую физику. Калибровочно-гравитационная дуальность подразумевает, что некоторые типы гравитационных теорий могут быть эквивалентным образом переформулированы как калибровочные теории, и наоборот[85]. Это означает, в частности, что физики могут использовать общую теорию относительности, чтобы производить вычисления, прежде математически невыполнимые.

Из этой дуальности следует нечто совершенно поразительное. Двойственные теории работают в разном числе измерений: пространство-время калибровочной теории имеет на одно пространственное измерение меньше, чем пространство-время теории с гравитацией. Это означает, что наша Вселенная – включая нас самих – может быть математически сжата в два пространственных измерения. Как голограмма, Вселенная только кажется трехмерной, а в действительности может быть закодирована на плоскости.

И это не просто новый взгляд на мир. Специалисты по теории струн также применили калибровочно-гравитационную дуальность к ситуациям с кварк-глюонной плазмой и высокотемпературными сверхпроводниками, и хотя количественные результаты еще не получены, качественные выглядят многообещающе.

[84] Теорема Годдарда – Торна.

[85] Эту взаимосвязь часто именуют более строго – AdS/CFT-соответствием. Тем самым подчеркивается, что гравитационная теория рассматривается в антидеситтеровском (AdS, Anti-de Sitter) пространстве (пространство-время с отрицательной космологической постоянной), а калибровочная теория – это (суперсимметричная) конформная теория поля (CFT, Conformal Field Theory) в пространстве с числом измерений, на единицу меньшем, похожая на теории Стандартной модели, но не идентичная им.