Квантовые миры Стивена Хокинга

Один из последних суперструнных вариантов Хокинга заключался в том, что Метагалактика — видимая часть Вселенной — заполнена космическими струнами галактических или даже межгалактических размеров. Профессор Хокинг даже высказал идею, что подобные струны могут быть ответственны за «соты Метагалактики» — ячеистую структуру, сформированную гигантскими скоплениями галактик.

Хокинг объяснял, что для растяжения сверхмикроскопических струн до космических масштабов требуется трудновообразимая энергия, и ее могло дать только само расширение пространства. Но согласно инфляционной теории, которая, похоже, вполне адекватно описывает космологию, вся наблюдаемая сегодня Вселенная возникла в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка. Таким образом, в начале Вселенной размеры струн и области пространства, раздувшегося затем до видимой Вселенной, были равными. По мере раздувания этой области струны также растягивались. Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь буквально метагалактическую протяженность. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущих от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть уже на новом детекторе гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

Однако и макроскопические новые измерения, и космические струны — гипотезы слишком умозрительные с точки зрения современной теории струн. Мы определенно не можем утверждать, что вероятность их подтверждения сколько-нибудь велика. Однако они дают важный стимул к экспериментам по поиску новых эффектов на БАК и гравитационно-волновых детекторах и указывают на осязаемость близкой перспективы (хотя лично я считаю ее крайне маловероятной) прямого наблюдения струнных эффектов в лабораториях или обсерваториях.

Один из ведущих струнных теоретиков современности Дэвид Джонатан Гросс в своем физико-математическом эссе «От частиц к струнам» решительно утверждает, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает «нет». Если бы у нас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц мы бы увидели в него протяженные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.

По мнению профессора Хокинга теория струн многое обещает нам в будущем. Она надеется окончательно объединить все силы природы, выработать новые концепции пространства и времени, разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Хокинг считал, что потребуется революция в наших представлениях о пространстве и времени. Он предсказывал, что теория струн продолжит углубляться в различные области теорфизики.

Главная проблема опытного подтверждения теории струн в ее сверхмалом содержимом, для экспериментов с которым требуется колоссальная энергия ускорителей элементарных частиц и чувствительность их детекторов. Правда, в последнее время появился ряд интересных предложений об использовании в опытной проверке теории струн поразительного явления квантовой запутанности. Дело в том, что «запутанные» квантовые частицы вроде бы могут «телепатически» мгновенно реагировать на изменение состояния друг друга. Сразу заметим, что основы теории относительности здесь не разрушаются, поскольку ни материя, ни информация при этом со сверхсветовой скоростью не передаются.

Это очень необычное явление в квантовом мире было многократно проверено в ряде довольно тонких опытов, и на его основе даже возникла новая прикладная наука — квантовая информатика с криптографией, живущая в ожидании появления фантастических по своим качествам компьютерных систем и линий связи.