Теория струн и рождение Вселенной: почему космологи не спят по ночам

Космическая инфляция — лучшая на сегодня теория происхождения Вселенной. Она объясняет, почему Вселенная такая плоская, почему она везде одинаковая и почему в ней нет высокоэнергетических реликтов. Но инфляция не отвечает на главный вопрос: что было до неё? И здесь в игру вступает теория струн — недоказанная, спорная, но, возможно, единственная, способная связать всё воедино. Именно эта «струнная» мысль не даёт спать по ночам некоторым космологам.

Если посмотреть в прошлое достаточно далеко, можно увидеть, как Вселенная была горячее, плотнее, однороднее и расширялась быстрее. Это состояние — горячий Большой взрыв — описывает эволюцию Вселенной от первых мгновений до сегодняшнего дня. Но у этой модели есть три фундаментальные проблемы, которые она не может объяснить.

Первая — проблема плоскостности. Вселенная сегодня удивительно плоская: её плотность почти точно равна критической. Любое отклонение в ранней Вселенной, даже крошечное, разрослось бы до гигантских размеров за 13,8 миллиардов лет. Почему Вселенная оказалась настолько точно сбалансированной? Вторая — проблема горизонта. Участки космоса, которые находятся в противоположных направлениях от нас, имеют практически одинаковую температуру, хотя свет не мог успеть пройти между ними за всё время существования Вселенной. Как они «узнали» друг о друге? Третья — проблема монополей. В ранней Вселенной должно было образоваться множество тяжёлых стабильных частиц — магнитных монополей, предсказываемых теориями великого объединения. Но мы их не видим. Куда они исчезли?

Инфляция: решение трёх проблем и создание новой

В конце 1970-х — начале 1980-х годов физики предложили решение всех трёх проблем одним махом: космическую инфляцию. Согласно этой теории, в самые первые мгновения после своего рождения Вселенная пережила период экспоненциального расширения, когда она удваивалась в размере каждые 10⁻³⁵ секунды. Этот период длился недолго, но за это время Вселенная увеличилась в размерах настолько, что любые неоднородности были «размазаны» до неразличимости. Именно поэтому сегодня Вселенная плоская, однородная и лишённая реликтов.

Кроме того, инфляция дала объяснение происхождению галактик. Квантовые флуктуации, растянутые инфляцией до космических масштабов, стали теми крошечными неоднородностями плотности, из которых потом выросли звёзды и галактики. Инфляция предсказала, что эти флуктуации должны быть почти, но не полностью одинаковыми на всех масштабах — с небольшим преимуществом в пользу крупных. И это предсказание блестяще подтвердилось. Инфляция также предсказала, что флуктуации будут адиабатическими (а не изокривизненными), и что существуют флуктуации, превышающие размер горизонта — это было подтверждено наблюдениями реликтового излучения.

Всё это — триумф инфляции. Но у неё есть один существенный недостаток: мы можем наблюдать только то, что произошло в последние 10⁻³² секунды её существования. Всё, что было до этого, навсегда стёрто экспоненциальным расширением. Мы не знаем, сколько длилась инфляция, что послужило её началом и что было до неё. Мы знаем, что инфляционное пространство не могло быть вечным в прошлом — математически доказано, что оно должно было иметь начало. Но каким было это начало?

Три пути в мультивселенную

Современная физика предлагает три независимых пути, каждый из которых приводит к идее мультивселенной — и все они связаны с инфляцией.

Первый путь — квантовая механика. В 1957 году аспирант Хью Эверетт III предложил интерпретацию квантовой механики, которая до сих пор вызывает споры. Согласно его идее, волновая функция никогда не схлопывается. Вместо этого каждый раз, когда происходит квантовое событие, Вселенная расщепляется на ветви, где реализуются все возможные исходы. Это не метафора — это буквальное прочтение математики. Каждое квантовое измерение создаёт новую Вселенную. У этой интерпретации есть противники, но она становится всё более популярной, отчасти потому, что альтернативы — бомовская механика и теории динамического коллапса — либо несовместимы с теорией относительности, либо громоздки для вычислений. Идея Эверетта выжила не потому, что её было легко принять, а потому что её было трудно опровергнуть.

Второй путь — инфляционная космология. Инфляция, однажды начавшись, не останавливается везде одновременно. В одних областях она заканчивается, порождая «пузырьковые вселенные», а в других продолжается. Этот процесс вечной инфляции создаёт бесконечное количество пузырьковых вселенных, каждая со своими законами физики. Это не спекуляция — это прямое следствие уравнений, описывающих инфляцию.

Третий путь — теория струн. Теория струн — единственный известный кандидат на роль теории всего, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности. Она требует существования десяти измерений — девяти пространственных и одного временного. Чтобы получить нашу четырёхмерную Вселенную, шесть измерений должны «свернуться», или компактифицироваться. Количество способов, которыми это можно сделать, оценивается в 10 в степени 500 — число, которое превышает количество атомов в наблюдаемой Вселенной. Каждая конфигурация даёт свой набор физических констант: разные массы частиц, разные силы взаимодействия, разную космологическую постоянную. Вечная инфляция превращает эти возможности в реальность, создавая области пространства, реализующие каждую из этих конфигураций. Теория струн не просто допускает существование других вселенных — она, по-видимому, требует их.

Струнная мысль, которая не даёт спать

И вот здесь начинается самое интересное. В 1979 году физики Алан Ходос и Стив Детвайлер опубликовали работу под названием «Куда исчезло пятое измерение?». Они показали: если начать с пятимерной Вселенной — четырёх пространственных и одного временного измерения — и позволить одному пространственному измерению сжиматься, то остальные три начнут расширяться. В результате получится Вселенная, которая выглядит как наша: однородная, изотропная, расширяющаяся, с тремя пространственными измерениями.

Это не было просто математическим упражнением. Если перенести эту логику на десятимерную теорию струн, возникает фундаментальный факт: когда десять измерений компактифицируются до четырёх, существует лишь один математически уникальный способ получить именно четырёхмерное пространство. Это не произвольный выбор — это диктуется математикой.

В этой четырёхмерной Вселенной гравитация описывается теорией Бранса-Дикке — обобщением общей теории относительности Эйнштейна. Чтобы получить стандартную теорию Эйнштейна, нужно лишь убрать скалярный член, что математически допустимо. Кроме того, эта теория предсказывает существование большого количества дополнительных частиц, объединённых в группу E6, которая содержит всю Стандартную модель. Дополнительные частицы пока не наблюдались, и это одна из загадок, которую теория струн должна объяснить: где они? Почему нет нейтральных токов, меняющих аромат? Почему не наблюдается распад протона? Что за механизм «прячет» эти дополнительные компоненты?

Сегодня мы живём во Вселенной, которая описывается двумя наборами законов: общей теорией относительности для гравитации и Стандартной моделью для остальных сил. Но у нас есть нерешённые проблемы: инфляция, тёмная материя, тёмная энергия. Возможно, все они связаны. И теория струн — единственная известная концепция, которая может их объединить.

Конечно, каждую из этих проблем можно решить по отдельности более простыми способами. Инфляция может быть описана одним скалярным полем. Тёмная материя — одним видом холодных бесстолкновительных частиц. Тёмная энергия — просто космологической постоянной. Но что, если всё это — части одного целого? Что, если всё, что мы сегодня не понимаем, имеет единое объяснение, уходящее корнями в эпоху, которая навсегда скрыта от нашего наблюдения?

Именно эта мысль иногда не даёт спать по ночам космологам, которые задумываются об окончательном происхождении Вселенной. Мы знаем, что инфляция была, но мы не знаем, что было до неё. Мы знаем, что наши уравнения работают, но мы не знаем, почему они работают именно так. И теория струн предлагает ответ, который одновременно и элегантен, и тревожен: возможно, наша Вселенная — лишь одна из бесчисленного множества, и все они возникли из одного и того же десятимерного пространства, компактифицировавшегося разными способами. Возможно, всё, что мы видим вокруг себя, включая законы физики, — лишь случайность, возникшая из бесчисленных возможностей. И теперь, когда вы знаете эту линию рассуждений, возможно, вы тоже задумаетесь об этой возможности.