Во-вторых, команда Смута сумела доказать присутствие в микроволновом фоновом излучении крохотных, почти микроскопических всплесков. Именно эти всплески помогли объяснить скопления и войды, найденные через миллиард лет после Большого взрыва. (Если бы спутник СОВЕ не обнаружил никаких всплесков, тогда анализ событий, произошедших после Большого взрыва, пришлось бы всесторонне пересмотреть.)
И в-третьих, результаты согласовывались с так называемой теорией космической инфляции, но не доказывали ее. (Эта теория, предложенная Аланом Гутом из Массачусетского технологического института, гласит, что взрывное расширение Вселенной в первый момент сотворения значительно превосходило стандартное, соответствующее модели Большого взрыва; согласно этой теории Вселенная, которую мы видим в телескопы, – лишь крохотная частица гигантской Вселенной с границами, находящимися далеко за пределами нашей видимости.)
До сотворения: орбиобразие?
Результаты, полученные со спутника СОВЕ, позволили физикам с уверенностью утверждать, что им понятно происхождение Вселенной вплоть до малой доли секунды после Большого взрыва. Но нас по-прежнему ставят в тупик вопросы о том, что предшествовало Большому взрыву и почему он произошел. Общая теория относительности дает в конечном итоге бессмысленные результаты. Поняв, что общая теория относительности просто не работает при очень малых расстояниях, Эйнштейн пытался расширить теорию до более всеобъемлющей, способной объяснить этот феномен.
Мы полагаем, что в момент Большого взрыва преобладающей силой, превосходящей гравитацию, являются квантовые эффекты. Следовательно, ключ к истокам Большого взрыва – квантовая теория гравитации. На данный момент единственная теория, претендующая на разрешение загадки событий, предшествующих Большому взрыву, – десятимерная теория суперструн. В настоящее время ученые строят догадки о том, как десятимерная Вселенная разделилась на четырех– и шестимерную. Как выглядит Вселенная, парная нашей?
Один из физиков, занятых поиском ответов на эти космические вопросы, – Камран Вафа, гарвардский профессор, потративший несколько лет на изучение возможного процесса разделения нашей десятимерной Вселенной на две вселенных меньшего размера. Парадокс, но сам Вафа тоже разрывается между двумя мирами: он живет в Кембридже, Массачусетс, но родом из Ирана, откуда был вынужден уехать в связи с политическими катаклизмами последнего десятилетия. С одной стороны, он мечтает в конце концов вернуться на родину, в Иран, – возможно, после того как прекратятся гражданские волнения. С другой стороны, исследования уводят его от этого очага напряженности к дальним границам шестимерного пространства, к тому моменту, когда состояние Вселенной, охваченной хаосом, еще не успело стабилизироваться.
«Представим себе простую видеоигру», – предлагает Вафа. Ракета может перемещаться по экрану, пока не достигнет правого края. Всякий любитель видеоигр знает, что после этого ракета внезапно появляется с левого края экрана точно на такой же высоте. А если ракета залетит слишком далеко и уйдет за границу нижнего края экрана, то вновь материализуется в его верхней части. Таким образом, объясняет Вафа, на этом экране – полностью замкнутая вселенная. Вы никогда не покидаете вселенную, ограниченную экраном. Однако большинство подростков не задается вопросом о том, какую форму на самом деле имеет вселенная. Вафа указывает на удивительный факт: топологически экран устройства для видеоигр – внутренняя поверхность трубы!
Представим себе экран в виде листа бумаги. Поскольку углы в верхней части экрана идентичны углам в нижней части, можно склеить вместе верх и низ экрана. Мы свернули лист бумаги в трубку. Углы правого края трубки точно такие же, как углы левого края. Единственный способ соединить два конца получившейся трубки – осторожно согнуть ее в кольцо и склеить открытые концы вместе (рис. 9.2).
Мы превратили лист бумаги в фигуру, похожую на бублик. Можно сказать, что ракета, перемещающаяся по экрану в видеоигре, движется по внутренней поверхности трубки. Всякий раз, когда ракета исчезает с экрана и вновь появляется с другой стороны, это соответствует пересечению ракетой склеенного стыка внутри трубки.
Вафа предполагает, что сестра нашей Вселенной имеет форму своего рода искривленного шестимерного тора. Вафа и его коллеги первыми выдвинули предположение, согласно которому сестру нашей Вселенной можно описать так называемым орбиобразием. По сути дела, предположение, что топология этой Вселенной-сестры – орбиобразие, вполне соответствует данным наблюдений{90}.
Представить себе орбиобразие поможет перемещение на 360º по кругу. Ясно, что в результате такого движения мы вернемся в исходную точку. Другими словами, если мы протанцуем круг 360º в хороводе, то вернемся к тому же месту, с которого начали. Но если в орбиобразии мы проделаем путь менее 360º, то все равно вернемся в исходную точку. Это утверждение может показаться абсурдным, тем не менее сконструировать орбиобразие легко. Представьте себе флатландцев, живущих на конусе. Если они проделают путь менее 360º вокруг вершины конуса, то прибудут в исходную точку. Таким образом, орбиобразие – многомерное обобщение конуса (рис. 9.3).
Для того чтобы прочувствовать орбиобразие, представьте себе флатландцев, живущих на Z-орбиобразии, с поверхностью как у четырехугольного кресла-мешка (такие можно увидеть на карнавалах и сельских ярмарках). Поначалу кажется, что они живут точно так же, как в Флатландии. Но, исследуя поверхность, флатландцы наверняка начнут замечать странные явления. К примеру, если кто-то из них долго идет в каком-либо направлении, то возвращается в исходную точку, словно описав круг. Кроме того, флатландцы заметили странности, связанные с некоторыми точками их Вселенной (четырьмя углами кресла-мешка). Обогнув любой из этих четырех углов на 180º (а не на 360º), они возвращались в то же место, с которого начали движение.
Орбиобразие Вафы примечательно тем, что всего при нескольких допущениях можно вывести многочисленные особенности кварков и других субатомных частиц. (Это происходит потому, что, как мы уже видели, геометрия пространства согласно теории Калуцы – Клейна вынуждает кварки принимать симметрию этого пространства.) Это придает нам уверенности, свидетельствует о том, что мы на верном пути. Если бы орбиобразие давало совершенно бессмысленные результаты, тогда интуиция подсказывала бы нам, что эта конструкция в корне ошибочна.
Если ни одно решение для теории струн не содержит Стандартную модель, тогда нам следует отвергнуть теорию суперструн, как очередную многообещающую, но неверную теорию. Однако физиков взбудоражила сама возможность получить решения, так заманчиво близкие к Стандартной модели.
Математики изучают свойства своеобразных поверхностей в высших измерениях 80 лет – с тех пор как французский математик Анри Пуанкаре в начале XX в. поднял вопрос топологии. Таким образом, десятимерная теория способна вобрать в себя немалую часть современной математики, которая прежде казалась практически бесполезной.
Почему три поколения?
Для объяснения, почему существуют три семейства частиц, используются, в частности, математические теоремы, накопленные математиками за прошедшее столетие. Как мы видели ранее, злополучная особенность теорий Великого объединения заключается в наличии трех идентичных семейств кварков и лептонов. Однако орбиобразие способно объяснить это сомнительное свойство теорий Великого обьединения{91}.
Вафа и его коллеги обнаружили для уравнений струн немало перспективных решений, которые выглядят соответствующими материальному миру. В сущности, при поразительно малом количестве допущений они могут заново вывести Стандартную модель – для теории это важный шаг. По сути дела, это и сильная, и слабая сторона теории суперструн. Вафа и его коллеги в каком-то смысле переусердствовали: нашли миллионы прочих возможных решений для струнных уравнений.
Основная проблема, с которой столкнулась теория суперструн, заключается в следующем: неизвестно, какая из миллионов возможных вселенных, которые можно математически образовать с помощью теории суперструн, окажется верной. Как сказал Дэвид Гросс, «существуют миллионы миллионов решений с тремя пространственными измерениями. Возможных классических решений невообразимое множество… Все это изобилие поначалу внушало радость, так как доказывало, что теория, подобно гетеротической струне, может выглядеть очень похожей на реальный мир. Помимо четырех пространственно-временных измерений эти решения обладают многими другими свойствами, характерными для нашего мира, – надлежащими видами частиц, такими как кварки и лептоны, подходящими видами взаимодействий… Все они два года назад вызывали воодушевление»{92}.
