Высший замысел

Вы могли подумать, что обоснованность суперсимметрии было бы легко проверить — стоит только понаблюдать за свойствами существующих частиц и увидеть, объединяются ли они в пары. Таких парных частиц не наблюдалось. Но физики провели множество расчетов, которые показывают, что частицы, парные тем, которые наблюдаются, должны быть массивнее протона в тысячу раз, если не больше. На сегодняшний день слишком трудно обнаружить такие частицы экспериментальным путем, но есть надежда, что они все-таки будут получены на крупнейшем в мире ускорителе заряженных частиц — Большом адронном коллайдере, расположенном близ Женевы, на территории Швейцарии и Франции.

Концепция суперсимметрии явилась основой для создания теории супергравитации, но первоначально эта концепция возникла на несколько лет раньше у теоретиков, занимавшихся новой теорией, названной теорией струн. Согласно теории струн, частицы представляют собой не точки, а вибрирующие отрезки, имеющие длину, но не имеющие высоты и ширины — что-то вроде бесконечно тонких отрезков струны. Теории струн тоже приводят к бесконечностям, но считается, что в правильной версии эти бесконечности уничтожатся. Эти теории имеют другое необычное свойство: они применимы только для десятимерного пространства-времени, но не для обычного четырехмерного. Десять измерений — это может звучать заманчиво для ученых, но если в таком пространстве вы забудете, где припарковали свою машину, у вас будут серьезные затруднения. Если эти дополнительные измерения действительно существуют, то почему же мы их не замечаем? Согласно теории струн, они искривлены в пространстве очень малого размера. Чтобы ощутить это, представьте себе двухмерную плоскость. Мы называем ее двухмерной, потому что для определения точки на ней требуется лишь два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты). Другое двухмерное пространство — поверхность соломинки. Чтобы определить положение точки в этом пространстве, нужно знать, где находится эта точка по длине соломинки и где — по ее окружности. Но если соломинка очень тонкая, вы получите весьма хорошее приблизительное положение, используя только координату вдоль длины соломинки, так что можно будет пренебречь измерением по окружности. Если же соломинка имеет диаметр в одну миллионную миллионной миллионной миллионной миллионной дюйма, то вы вообще не заметите ее размера по окружности. Так выглядят дополнительные измерения в представлении «струнных» теоретиков — сильно искривленными в столь малом масштабе, что не видны нам. В теории струн дополнительные измерения свернуты в так называемое внутреннее пространство, что отличается от трехмерного пространства, с которым мы имеем дело в повседневной жизни. Как мы увидим далее, эти внутренние состояния имеют важное физическое значение, а вовсе не представляют собой всего лишь скрытые измерения, так сказать, заметенные под ковер.

Кроме вопроса об измерениях теория струн отягощена еще одним затруднением: появилось по меньшей мере пять разных теорий и миллионы способов того, как эти дополнительные измерения могут быть свернуты, что вызвало большие затруднения у ее защитников, утверждавших, что теория струн — единственная,которая может называться теорией всего. Позднее, примерно в 1994 году, ученые начали открывать двойственности: оказалось, что различные теории струн и различные способы сворачивания дополнительных измерений — это лишь разные способы описания одних и тех же явлений в четырехмерном пространстве. Более того, обнаружилось, что теория супергравитации подобным же образом связана с другими теориями. И приверженцы теории струн теперь согласны с тем, что пять различных теорий струн и теория супергравитации — это лишь разные предпосылки к более фундаментальной теории, но каждая из них применима к той или иной ситуации.

Соломинки и линии. Соломинка на картинке двухмерна, но если ее диаметр довольно маленький или если смотреть издали, она кажется одномерной, как линия.

О том, что эта более фундаментальная теория называется М-теорией, мы уже упоминали. Похоже, никто не знает, что означает «М». Это может быть master (лучший), miracle или mystery (тайна). А похоже, что и все три слова сразу. Ученые по-прежнему стараются разгадать природу М-теории, но это может оказаться и недостижимым. Возможно, что характерная для физиков надежда обрести единую теорию природы окажется тщетной и единой формулировки не существует. А возможно, для описания Вселенной в разных ситуациях придется применять разные теории. Каждая теория может иметь собственную версию реальности, но, согласно моделезависимому реализму, это приемлемо, только если в местах взаимного перекрытия разные теории всегда дают одни и те же прогнозы, то есть можно пользоваться любой из них.

Независимо от того, существует ли М-теория как единое представление или как система разных теорий, нам известны некоторые из ее свойств. Во-первых, в ней имеется одиннадцать, а не десять пространственно-временных измерений.

Сторонники теории струн давно подозревали, что предсказание десяти измерений придется уточнить, и недавние работы показали, что одно измерение действительно было пропущено. Также М-теория может рассматривать не только вибрирующие струны, но и точечные частицы, двухмерные мембраны, трехмерные капли и другие объекты, которые трудно изобразить и которые требуют еще больше — до девяти — пространственных измерений. Такие объекты называются р-бранами (р-мерная мембрана), где «р» может принимать значения от 0 до 9.

А как же огромное число способов, с помощью которых можно свернуть крошечные измерения? В М-теории эти дополнительные пространственные измерения не могут быть свернуты как угодно. Математика этой теории ограничивает способы сворачивания измерений внутреннего пространства. Точная форма внутреннего пространства определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами. Иными словами, она определяет очевидные законы природы. Мы говорим «очевидные», поскольку речь идет о законах, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной, — это законы четырех сил (фундаментальных взаимодействий) и такие параметры, как масса и заряд, характеризующие свойства элементарных частиц.

Но законы М-теории более фундаментальны, поэтому они допускают существование различных вселенныхс различными очевидными законами в зависимости от того, как у них свернуто внутреннее пространство. М-теория содержит такие решения, согласно которым допустимо существование множества различных внутренних пространств; их возможное число может доходить до 10 ⁵⁰⁰. Это означает, что, в соответствии с М-теорией, могут существовать 10 ⁵⁰⁰вселенных, у каждой из которых свои законы. Чтобы ощутить, насколько это много, представьте, что если бы кто-то задался целью проанализировать законы, предсказанные для этих вселенных, затрачивая всего одну миллисекунду на каждую из них, и приступил бы к работе в момент Большого взрыва, то к настоящему времени он изучил бы лишь 10 ²⁰из них. И это без всяких перерывов на кофе!

Столетия назад Ньютон показал, что математические уравнения могут дать поразительно точное описание того, как взаимодействуют объекты — хоть на Земле, хоть на небесах. Ученые пришли к убеждению, что будущее всей Вселенной можно увидеть, если только иметь надлежащую теорию и достаточные вычислительные возможности. Потом появились квантовая неопределенность, искривленное пространство, кварки, струны и дополнительные измерения, а как итог всего этого — 10 ⁵⁰⁰вселенных, каждая со своими законами, и лишь одна из них та Вселенная, которая известна нам. Вероятно, придется распрощаться с первоначальной надеждой физиков создать единую теорию, объясняющую очевидные законы нашей Вселенной как единственно возможное следствие нескольких простых допущений. Где же тогда оказываемся мы? Если М-теория допускает наличие 10 ⁵⁰⁰наборов очевидных законов, то как же мы угодили именно в ту Вселенную, где действуют законы, которые очевидны для нас? И как быть со всеми остальными возможными мирами?

6. Выбирая нашу вселенную

В мифологии народа бушонго, живущего в Центральной Африке, говорится, что изначально существовали только темнота, вода и великий бог Бумба. Однажды Бумбу из-за боли в животе стошнило, и он изверг солнце. Через некоторое время солнце высушило часть воды, в результате чего возникла суша. Но живот у Бумбы все еще болел, и его продолжало тошнить. Так появились луна, звезды, затем некоторые животные: леопард, крокодил, черепаха — и наконец человек. Племена майя на территории Мексики в Центральной Америке описывают похожую картину, предшествующую сотворению мира: существовали только море, небо и Творец. В одной из легенд майя Творец, несчастный оттого, что некому было прославлять его, создал землю, горы, деревья и большинство животных. Но животные не умели разговаривать, и тогда он решил создать людей. Сначала он сделал их из грязи и земли, но они говорили всякую ерунду. Оставив их разваливаться, он предпринял вторую попытку, на этот раз вырезав людей из дерева. Но эти люди получились тупыми. Он решил уничтожить их, но они сбежали в лес, получив по пути повреждения, которые немного изменили их, превратив в существа, называемые сегодня обезьянами. После этого фиаско Творец нашел, наконец, подходящий состав и создал первых людей из белых и желтых зерен кукурузы. Сегодня из кукурузы мы делаем этиловый спирт, но так и не можем потягаться с достижением Творца, создавшего людей, которые этот спирт пьют.

Подобные мифы о сотворении мира пытались ответить на вопросы, которые и мы задаем в этой книге: почему существует Вселенная и почему она такая, как есть. Наша способность обращаться к этим вопросам постоянно возрастала в течение столетий со времен древних греков, а особенно сильно выросла за прошлое столетие. И теперь, вооруженные знаниями из предыдущих глав, мы готовы предложить возможный ответ на эти вопросы.

Даже в древние времена могло быть очевидным, что либо Вселенная совсем недавнее творение, либо люди существовали на протяжении лишь очень краткого периода космической истории. Поскольку знания и техника людей развивались весьма быстро, то если бы люди существовали миллионы лет, человечество в своем развитии ушло бы гораздо дальше.

Согласно Ветхому Завету, Бог создал Адама и Еву всего через шесть дней после сотворения мира. Епископ Ашшер, Примас всей Ирландии с 1625 по 1656 год, определил начало мира более точно: в 9 часов утра 27 октября 4004 года до н. э. Мы придерживаемся другого мнения: люди появились сравнительно недавно, но сама Вселенная зародилась много раньше — около 13,7 миллиарда лет назад.

Первое действительно научное свидетельство того, что Вселенная имела начало, появилось в 1920-х годах. Как мы уже говорили в главе 3, в то время большинство ученых полагали, что Вселенная статична и существовала всегда. Свидетельство обратного было косвенным, основанным на наблюдениях американского астронома Эдвина Хаббла, которые он выполнил на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, расположенной на холмах над Пасаденой в Калифорнии. Проанализировав спектры света, приходящего от далеких галактик, Хаббл определил, что почти все галактики удаляются от нас, и чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются. В 1929 году он опубликовал закон об отношении скорости их удаления к расстоянию от нас и сделал вывод, что Вселенная расширяется. Если это так, то в прошлом Вселенная должна была быть меньше. Действительно, если экстраполировать процесс в далекое прошлое, то вся материя и энергия во Вселенной должны были быть сконцентрированы в совсем крошечном объеме с невообразимой плотностью и температурой. Если же мы заглянем в прошлое достаточно далеко, то обнаружим, что должен быть тот момент, с которого все началось, — сегодня мы называем это событие Большим взрывом.