Наша новая теория на сцене это теория струн. Она даёт философски разумный ответ на старый вопрос «почему мы здесь?» И даже не используя при этом гигантских количеств параллельных вселенных.
Просто она более осторожна в обращении с ними.
Наш источник это статья «Ландшафт теории струн» Рафаэля Буссо и Джозефа Полчински в сентябрьском номере Scientific American — в специальном выпуске, посвященном Альберту Эйнштейну.
Если и есть единственная проблема в основе современной физике, то это объединение квантовой механики и теории относительности. Эти поиски «Теории Всего» необходимы потому что, хотя обе теории чрезвычайно успешно помогают нам понимать и предсказывать различные аспекты окружающего мира, они полностью не совместимы между собой. Найти согласованную, единую теорию довольно трудно и пока эти поиски не увенчались успехом. Но одна математически привлекательная попытка, теория струн, концептуально привлекательна, даже если в её пользу нет никаких данных наблюдений.
Теория струн утверждает, что то, что мы обычно считаем отдельными точками пространства и времени, которые не интересны по своей структуре, на самом деле являются очень-очень крошечными многомерными поверхностями очень сложной формы. Классической аналогией является садовый шланг. Со стороны шланг выглядит как линия, которая является одномерным пространством — измерением является всё расстояние вдоль шланга. При более близком взгляде можно увидеть, что шланг имеет два дополнительных измерения, находящиеся под прямым углом к этой линии и в этом направлении шлаг представляет собой округлую линию.
Может быть наша вселенная похожа на этот шланг. Пока мы не посмотрим достаточно близко, мы не увидим ничего кроме трех измерений в пространстве и ещё одно о времени. Ужасно много физики наблюдается только в этих четырёх измерениях, так что феномен такого типа имеют приятное четырёх мерное описаний — снова теория относительности. Но в других, «скрытых» измерениях может быть всё по другому — к примеру, та же самая толщина шланга. К примеру, представим, что в каждой точке видимого четырёхмерного пространства, есть нечто, что кажется точкой и в действительности является крошечным кружком, выпирающим под прямым углом к самому пространству и времени. Эти кружки могут вибрировать. Если так, то это будет похоже на квантовые описания частицы. Частицы имеют различные квантовые числа, такие как, например, спин. Эти числа возникают как целые числа кратные некоторой общей суммы. Так же происходит и с вибрациями кружков: в круг вписывается одна волна или две, или три… но никак, например, не две с четвертью.
Вот почему всё это называется «теорией струн». Каждая точка пространственно-временного континуума является крошечной струной.
Для того чтобы реконструировать нечто, что согласуется с квантовой теорией мы не можем в действительности использовать округлую струну. Существуют слишком много разных квантовых чисел и слишком много трудностей необходимо преодолеть. Есть предположение о том, что вместо точки нужно использовать более сложную, многомерную форму известную как «бран».[70] Представьте её в виде поверхности.
Существует много различных топологических типов поверхностей: сфера, бублик, два соединённых между собой бублика, три бублика. и в большем количестве измерений чем два существуют более экзотические формы.
Частица соответствуют крошечным замкнутым струнам, которые оплетают бран. Если множество различных способов оплести струну вокруг бублика — продеть через дырку один раз, два раза, три раза. Физические законы зависят от формы брана и траекториям, которым следуют эти петли.
Наиболее предпочтительны бран имеет шесть измерений, что в общем составляет все десять. Считаются, что дополнительные измерения очень плотно свернуты, меньше Планковской длины, которая является размером при котором вселенная начинает быть зернистой. Практически невозможно наблюдать что-то меньшее это длины, потому что из-за крупной зернистости всё выглядит размыто и невозможно различить мелкие детали. Так что нет никакой надежды непосредственно наблюдать какие-либо дополнительные измерения. Фактически, недавно обнаруженное ускорение темпов расширения вселенной может быть объяснено таким же образом. Конечно, это объяснение может быть неверным: нужно больше доказательств.
Идеи здесь меняются каждый день, так что мы не берём на себя обязательство ясно выразить свою точку зрения на излюбленную в настоящий момент структуру из шести измерений. Мы можем созерцать любое количество различных бран и завитков. Каждый выбор — назовём это петляющим браном — имеет определённую энергию, связанную с формой брана, с тем как плотно он свернут и насколько плотно его обвивает петля. Эта энергия — «энергия вакуума» соответствующей теории. В квантовой механике вакуум представляет собой кипящую массу частиц и античастиц появляющихся на мгновение прежде чем столкнуться и снова друг с другом аннигилируют. Энергия вакуума показывает насколько сильно они кипят. Мы можем использовать энергию вакуума чтобы сделать вывод какой из бранов соответствует нашей вселенной, чья энергия вакуума чрезвычайно мала. До недавнего времени считалось, что она крайне мала, но сейчас она равна1120-плекса единиц, где единицей явялется одна Планковская масса умноженная на Планковскую длину в кубе, что примерно равняется гуглу граммов на кубический метр.
А сейчас мы послушаем космическую сказку про Машу и трёх медведей. Большой Папа Медведь предпочитает энергию вакуума более чем +1/118-плексов единиц, но такие пространственно-временные континуумы будут подвергаться более активному расширению чем сверхновая звезда. Добрая Мама Медведь предпочитает вакуумную энергию меньше чем -1/120-прексов единиц (обратите внимание на знак минус), но в этом случае пространственно-временной континуум с космическим хрустом сожмётся и исчезнет. Малвш Медвежонок и Маша предпочитают энергию вакуума где-то посередине: в невероятно крошечном диапазоне между +1/188 плексов и -1/120-плексов единиц. Это зона Машеньки, в которой как мы знаем может существовать жизнь.
Не случайно, что мы живём со вселенной, чья энергия вакуума находится в этой зоне, поскольку, как нам известно, сами являемся жизнью. Если бы мы жили в любом другом типе вселенной, то слово «жизнь» имело бы другой смысл. Она была бы возможной в принципе, но не для нас.
А эта наш старый знакомый антропный принцип, используемые в разумном способе соотнести то как устроены мы и какой тип вселенный больше для нас подходит. Вопрос здесь не в том почему мы живём в такой вселенной, а почему существует такая вселенная, в которой мы можем жить. Это спорный вопрос о тонкой надстройке вселенной и невероятность случайной вселенной соответствовать именно нужным цифрам часто используется чтобы что-то доказать — часто говорят «Мы не знаем, существуют ли пришельцы», но почти все думают «Бог создал эту вселенную именно для нас».
Но учёные придерживающиеся теории струн изготовлены из прочного теста и у них есть более разумный ответ.
В 2000 году Буссо и Полчински скомбинировали теорию струн с более ранней идеей Стивена Вайнберга чтобы объяснить почему для нас не удивительно, что существует вселенная с нужным уровнем энергии вакуума. Основная идея заключается в том, что фазовое пространство возможных вселенных просто гигантское. Оно даже больше чем 500-плекс. Эти 500-плексов вселенных плотно распределяют свою энергию вакуума в диапазоне от -1 до + 1 единицы. Получающиеся в результате числа расположены ещё более плотно, чем 1118 плекса единиц, что определяет масштабы «приемлемого» диапозона энергии вакуума для известной нам жизни. Хотя очень маленькая доля этих 500-плексов вселенных попадает в этот диапазон, их так много, что это крошечная доля выглядит абсолютно гигантской — 382-плекса вселенных. Так что огромного множества 382-плексов вселенных из фазового пространства 500-плексов бранов вполне достаточно чтобы обеспечить всё необходимое для нашей жизни.
Однако это всё равно лишь небольшая доля. Если вы выберете один случайный бран, шансы на то, что он окажется в рамках этого диапазона чрезвычайно малы.
Без проблем. У учёных придерживающихся теории струн есть ответ и на это. Если подождать достаточно долго, такая вселенная обязательно появится. Фактически все вселенные из фазового пространства бранов в конечном итоге становятся «настоящими» вселенными. И когда бран настоящей вселенной попадает в так называемую зону Машеньки обитатели новой вселенной даже не догадываются о всём этом ожидании. Их ощущение времени начинается с того момента когда возникает этот конкретный бран.
Теория струн не только говорит нам что мы здесь, потому что мы здесь, она объясняет почему должно существовать подходящее «здесь».
