Читать книгу "Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин"

Брайан Грин

Теория струн и природа реальности

Брайан Грин – профессор физики и математики Колумбийского университета. Он получил широкую известность и признание за целый ряд выдающихся открытий в математической физике и теории суперструн, включая со-открытие зеркальной симметрии и изменения топологии. Его первая книга, предназначенная для широкой аудитории, «Элегантная вселенная», стала финалистом Пулитцеровской премии и разошлась в мире тиражом свыше двух миллионов экземпляров. Недавние книги профессора Грина, «Ткань космоса» и «Скрытая реальность», стали бестселлерами New York Times и вдохновили Washington Post назвать его «единственным в своем роде и лучшим в мире толкователем заумных вещей». По его футуристической басне «Икар на краю времени» создано живое сценическое представление под оригинальную симфоническую музыку Филипа Гласса, которое было впервые исполнено в Линкольновском центре исполнительских искусств, и с тех пор исполнялось в мире свыше 50 раз. Профессор Грин неоднократно выступал в программах Чарли Роуза и The Late Show. Был ведущим двух специальных выпусков NOVA [научно-популярный сериал сети PBS, показанный в США и более 100 странах мира – уже отснято 46 сезонов и 857 серий; съемки продолжаются] об «Элегантной вселенной» и «Ткани космоса», которые получили четыре номинации на премию «Эмми» и выиграли премию Джорджа Фостера Пибоди. Профессор Грин также сыграл эпизодические роли в голливудских фильмах Maze, Frequency и The Last Mimzy, а также сыграл самого себя в одном из эпизодов сериала «Теория Большого взрыва». Профессор Грин – директор Колумбийского центра теоретической физики. Совместно с продюсером Трейси Дэй он основал Всемирный фестиваль науки (World Science Festival).

Я хотел бы поднять вопрос об ускоренном расширении пространства и темной энергии. Позвольте мне дать краткий обзор ярких тем этого рассказа, которые тесно связаны с моим докладом. Поскольку обычная гравитация замедляет, скажем, подброшенное вверх яблоко, все думали, что расширение вселенной тоже со временем замедлится. Ожидалось, что гравитация стянет все обратно. Однако в работах Адама Рисса, Брайана Шмидта, Сола Перлмуттера и их команд обнаружено нечто совершенно противоположное. Со временем скорость расширения вселенной увеличивается, расширение ускоряется. Все движется в разные стороны все быстрее и быстрее. Это, конечно, поставило интересный вопрос – а что создает это тяготение вовне, которое растягивает все в разные стороны? Наиболее широко принятое объяснение – темная энергия, невидимая энергия, заполняющая все пространство.

Я покажу вам, как примерно это выглядело бы. Темная энергия равномерно заполняет пространство. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, она расталкивает все в разные стороны – генерирует отталкивающую гравитацию. Так вот, со временем эта отталкивающая гравитация растаскивает все в стороны быстрее и быстрее. Это потрясающий результат наблюдений, но он поднимает глубокие вопросы. Откуда берется эта темная энергия? Из чего она состоит? Как она меняется со временем?

Есть три возможных объяснения, я сосредоточусь на первом из них. Этот вариант состоит в том, что пространство заполнено некой космологической постоянной и энергией, которая постоянна во времени. Моя задача – предложить объяснение глубокой тайны этой космологической постоянной или темной энергии – эти термины у меня взаимозаменяемы. Есть одно загадочное обстоятельство: результаты стандартных вычислений драматически отличаются от результатов наблюдений.

Посмотрим на количественную величину этой разницы. На экране вы видите выраженное в естественных единицах количество темной энергии на единицу объема, необходимое для объяснения наблюдений. Когда мы, теоретики, видим такое число, у нас душа уходит в пятки. В наших теориях и уравнениях таких величин не встречается – мы привыкли работать с величинами 1, 1/2, е, π, √2 и подобными им.

Как быть с теорией, где начав с таких величин, мы приходим к числу, показанному на экране? Эта тайна побудила многих людей предложить возможные варианты. Единого решения, с которым бы все согласились, пока не нашлось. В отведенное мне здесь время я постараюсь объяснить одно из возможных решений. Многие считают его наиболее радикальным из всех возможных, и вероятно, это означает, что оно неверно.

Но это не страшно. Красота науки в том, что вы выдвигаете теории, основанные на строгих математических рассуждениях и идеях, предъявляете их миру и позволяете данным, свидетельствам и наблюдениям рассудить, что верно и что неверно. На текущий момент у нас нет достаточного количества точных данных, чтобы получить ответ из наблюдений, так что мы продолжим теоретизировать и посмотрим, куда это нас приведет, а приведет это нас к довольно странным вещам.

Фактически, это приведет нас к понятию, что наша вселенная может быть – и я подчеркиваю слово «может» – одной из многих вселенных. Мы можем быть частью множества вселенных – мультивселенной – и это определенно непривычная, странная идея. Она удивительна, потому что большинство привыкло думать, что вселенная – это все, что есть. Но вот другая точка зрения. Здесь в первом ряду сидит моя дочка. Сейчас ей восемь, но когда ей было три с половиной, она уже слышала про эти идеи. Однажды я держал ее на руках и сказал ей: «София, я люблю тебя больше всех во вселенной». И эта маленькая девочка повернулась ко мне и спросила: «Папа, во вселенной или в мультивселенной?»

Как бы там ни было, вопрос в том, откуда взялась идея мультивселенной и каково ее теоретическое обоснование.

Я расскажу о подходе, называемом теорией струн, из которого естественным образом следует эта возможность. Отметьте, пожалуйста: я не говорю, что эти идеи верны – никто не должен верить ни в какие идеи, пока они не подтверждены наблюдением или экспериментом. Но я надеюсь убедить вас, что есть веские теоретические причины принимать мультивселенную всерьез.

Теория струн появилась десятилетия назад при попытке соединить теорию гравитации Эйнштейна, то есть общую теорию относительности, и квантовую физику. Объединить их трудно, но теория струн позволяет делать это по крайней мере на бумаге.

Что ж, главная идея такова. Вы берете любой обычный фрагмент вещества, скажем, яблоко, и изучаете его. При очень-очень высоком разрешении вы находите молекулы и атомы, электроны, вращающиеся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Далее вы видите, что протоны и нейтроны состоят из кварков. И на этом традиционные идеи заканчиваются. Идея теории струн в том, что глубже есть что-то еще. И это – маленькая, крошечная, вибрирующая нить энергии. Различные колебания этой струны создают различные виды известных нам частиц – электроны, кварки, нейтрино. Все эти частицы – всего лишь различные типы вибраций гипотетической сущности, называемой струной. На бумаге это привлекательная идея, потому что она соединяет гравитацию и квантовую механику. Никакого экспериментального подтверждения эта идея пока не имеет, по той причине, что струны очень маленькие. Ну, вот и все.

Их очень трудно увидеть. Согласно обычным для этой теории оценкам, струны имеют сечение размером 10–35 метра. Это далеко за пределами возможностей Большого адронного коллайдера.