Частица на краю Вселенной

Идея «компактификации» дополнительных измерений, с помощью которой теоретики пытаются связать теорию струн с наблюдаемыми явлениями, стала важной частью этой теории. Для создания различных ее версий на фундаментальном уровне существует очень мало свободных параметров. Как было показано в 1980 году, на самом деле есть только пять струнных теорий, в каждой из них вводится десять измерений пространства-времени, и когда шесть из них мы скрываем, то обнаруживаем, что компактификацию можно выполнить многими различными способами. Хотя непосредственное изучение компактного многообразия требует очень высоких энергий (предположительно порядка планковской энергии квантовой гравитации – 10¹⁸ ГэВ), способ конкретной компактификации непосредственно влияет на физические процессы, которые мы наблюдаем и при низких энергиях. Под «характеристиками компактификации» мы имеем в виду ее объем, форму, и топологию. Компактификация на тор (поверхность бублика) будет сильно отличаться от компактификации на сферу (поверхность шара). А под «физическими процессами, которые мы наблюдаем при низких энергиях», мы понимаем разнообразие существующих фермионов и сил, а также конкретные значения различных масс и взаимодействий.

Таким образом, в то время как сама теория струн очень интересна, сравнение ее с экспериментами оказалось делом крайне сложным. Не зная того, как дополнительные размерности компактифицированы, из теории струн невозможно сделать определенные выводы о том, что мы должны наблюдать. Это довольно общая проблема, а не только проблема теории струн, возникающая при любой попытке применить квантовую механику к гравитации: прямые экспериментальные исследования требуют энергий масштаба планковской, а ни один физически осуществимый ускоритель частиц не способен достичь этих значений. Неправильно было бы говорить, что мы никогда не получим данные, которые помогут нам в проверке моделей квантовой гравитации, но эта проверка определенно потребует не грубой силы, а тонкого инструментария.

Браны и множественная вселенная

В 1990-е годы произошло два события, радикально изменившие способ, которым люди пытались связать теорию струн с реальностью. Первым было открытие Джозефом Полчински: оказалось, теория струн не ограничивается только теорией одномерных струн, есть и многомерные объекты, они-то и играют решающую роль.

Двумерная поверхность называется «мембрана», но теоретики, занимающиеся теорией струн (струнные теоретики), должны уметь описывать и трехмерные, и многомерные объекты, и они придумали терминологию обозначения многомерных объектов – «2-брана», «3-брана» и так далее. Частица – это нулевая брана, а струна – 1-брана. Используя эти многомерные браны, струнные теоретики показали, что их теория еще более уникальна, чем они думали: все пять десятимерных теорий суперструн, как и 11-мерная теории «супергравитации», в которой вообще нет струн, – просто разные версии одной базовой «М-теории». (И по сей день никто не знает, что обозначает «М» в названии «М-теория».)

Плохая новость заключается в том, что это многообразие бран натолкнуло струнных теоретиков на мысль о том, что существует еще больше способов для компактифакции дополнительных измерений. Отчасти это было вызвано попытками найти компактификации, при которых энергия вакуума оказалась бы положительной. Большую роль тут сыграло и открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной. Это один из тех редких случаев, когда продвижение в теории струн было спровоцировано экспериментальным результатом. Лиза Рэндалл и Раман Сундрум использовали теорию бран и создали совершенно новый вид компактификации, в которой пространство между двумя бранами «деформируется». Их работа привела к появлению большого разнообразия новых подходов в физике элементарных частиц, в том числе к новым способам решения проблемы иерархии.

Этот результат, к сожалению, вероятнее всего похоронил последние надежды на то, что, найдя «правильную» компактификацию, можно каким-то образом связать теорию струн со Стандартной моделью. Количество компактификаций, о которых мы говорим, трудно оценить, хотя предполагаемый ответ крутится вокруг цифры цифра 10⁵⁰⁰. Это большое число, особенно когда перед нами стоит задача найти среди них одну-единственную компактификацию, согласующуюся со Стандартной моделью.

Чтобы устранить это препятствие, некоторые сторонники теории струн использовали другой подход: вместо того, чтобы искать одну истинную компактификацию, они допускают, что разные части пространства-времени имеют различные компактификации, и каждая компактификация где-то реализуется. Поскольку компактификации определяют частицы и силы, существующие при низких энергиях, из этого следует, что в разных областях пространства должны работать различные законы физики. И тогда мы можем назвать каждую такую часть отдельной «вселенной», а все их множество – «множественной вселенной».