Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Главное различие между струнами в теории струн и обычными струнами состоит в том, что вторые существуют в нашем мире четырех измерений (одном временно́м и трех пространственных), а первые (по крайней мере, в одной из ее версий) – в десяти пространственно-временны́х измерениях (одном временно́м и девяти пространственных). По идее, дополнительные пространственные измерения должны сворачиваться кольцами, как будто вокруг цилиндра, и образовывать длину, близкую к планковской. Разумеется, эта длина так мала, что эти струны для нас незаметны.
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.
Одно нам известно почти точно: чтобы быть похожей на традиционные теории поля, в которых силы передаются частицами, любая теория квантовой гравитации должна предсказывать существование гравитона – частицы, способной передавать гравитационную силу. Теория струн делает это. Хотя гравитационные волны уже обнаружены, нам так и не удалось обнаружить отдельные гравитоны – и, вероятно, не удастся. Если нейтрино взаимодействуют с обычной материей так редко, что один нейтрино может годами двигаться сквозь слои свинца до того, как с чем-то столкнется, то гравитон будет взаимодействовать с материей примерно на двадцать порядков величины реже. Это значит, что обнаружить гравитоны почти немыслимо.
Здесь перед нами встает вопрос, как подтвердить квантовую теорию гравитации экспериментальным путем. Некоторые физики склоняются к тому, что не обязательно подтверждать экспериментом каждый аспект теории. Виртуальные частицы можно рассматривать как ментальный или математический конструкт, помогающий нам представить, как работает теория поля, притом что мы не можем обнаружить эти частицы непосредственно. Куда важнее, что они предсказывают существование явлений, которые можно выявить экспериментально, таким образом подтвердив теории.
С другой стороны, если ничего из того, о чем говорит теория, нельзя обнаружить непосредственно, ее правоту может подтвердить исключительно математическая непротиворечивость. Поскольку в настоящее время теории и модели Вселенной на самом раннем этапе ее существования все дальше уходят от возможностей экспериментальных доказательств, некоторые физики говорят, что традиционные критерии одобрения теории (такие, как возможность фальсификации или доказательства неверности) больше не являются приемлемыми. Кроме того, мы должны быть готовы принять теорию, опираясь на метакритерии, такие как вероятность истинности (если эта вероятность хоть что-то означает), или даже ее гармоничность. Конечно, математическая красота долго служила силой, ведущей теорию от возникновения к принятию, однако предположения, основанные на таком иллюзорном качестве, оказывались ошибочными так же часто, как верными.
За последние десятилетия стиль и социология теоретической физики изменились настолько резко, что перед нами встает неизбежный вопрос: не утруждают ли себя космологи заведомо бессмысленными вопросами? Также неизбежно вспоминается известная еврейская поговорка: «Когда человек думает, Бог смеется».
Мы уже вступили
