Глава 6. М-браны миров
…Эти измерения свернуты в крохотные петли, спрятанные в ткани мироздания, а их причудливая геометрия может содержать ответ на некоторые из самых глубоких вопросов, когда-либо ставившихся учеными. Хотя некоторые из новых понятий являются трудноуловимыми, мы увидим, что их суть можно понять с помощью вполне осязаемых аналогий. А будучи понятыми, эти идеи дадут совершенно иной, поразительный взгляд на нашу Вселенную.
Б. Грин.
Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории
Выдающийся физик-теоретик Стивен Хокинг в своем научном бестселлере «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» так описывал квантовую реальность нашего мира:
Основными объектами микромира сегодня выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (так называемые открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве-времени (мировая линия). Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве-времени изображается двумерной поверхностью, которая называется «мировым листом». (Любую точку на таком мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых – время, а другое – положение точки на струне.) Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве-времени. Мировой лист замкнутой струны – это цилиндр или трубка, сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.
Из суперструнной теории следуют и удивительные космологические выводы, так, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти. Однако она не станет бесконечной, как в традиционной сингулярности Большого взрыва, а просто в определенный момент времени ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. Окружающий нас физический вакуум, будучи сугубо квантовым объектом, непрерывно флуктуирует, порождая топологические аномалии – «пузырьки пространства-времени», которые рождаются и гибнут. Внутри каждого такого пузырька можно ввести понятие собственного времени, направление которого фиксирует эволюцию материи внутри от момента рождения и до момента «схлопывания». Подавляющая доля таких пузырьков, несмотря на сверхмалое время жизни, внешне проявляет себя как замкнутые миниатюрные вселенные.
Струнная текстура реальности
Первично устойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька) стало неустойчивым по отношению к нашей вселенной. Эта неустойчивость приводит к тому, что внутри пузырька вакуум начинает изменять свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума сопровождается гигантским выделением энергии, в результате чего пузырек-вселенная начинает расширяться с колоссальной скоростью. Этот процесс можно интерпретировать как своеобразный взрыв вакуума – взрыв пустоты!
Таким образом, теория струн устраняет главный парадокс в космологическом сценарии Большого взрыва, связанный с наличием изначальной сингулярности с бесконечными значениями плотности материи и энергии.
Моделируя историю Вселенной до точки Большого взрыва, физики надеются с помощью суперстринговых представлений сформулировать основные принципы, предопределяющие историю Вселенной и объясняющие природу изначальной сингулярности. Может быть, теория струн позволит как-то сгладить сингулярность точки Большого взрыва и зафиксировать начальные условия в ней или, как предвидят ученые, рассуждая о возможных сценариях развития теории струн, показать, что Вселенная вечно пульсирует.
Смогут ли суперструнные построения прояснить вопрос о рождении нашего мира, покажет будущее. Пока еще из двух различных областей науки, разделенных пропастью масштабов – физической космологии и физики элементарных частиц, – не поступало подтверждений или опровержений этой очень странной теории, где возникновение Вселенной чем-то напоминает раскручивание невообразимо малой суперструнной пружины, спрятанной до поры до времени в досингулярной эпохе эволюции мироздания. И здесь теория суперструн приводит нас к совершенно фантастическому образу квантовых мембран, плывущих в пространстве-времени иных измерений.
Конечно, даже развитому физико-математическому воображению теоретиков непросто в деталях представить, что многомерная мембрана нашей вселенной парит в еще более многомерном пространстве, как некое подобие гигантской медузы в безбрежном океане сверхпространства. В соответствии с мембранной моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный хаотический газ из вещества и излучения. Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться своеобразные гравитационные «провалы» пространства-времени. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, поскольку Вселенная разбивалась на обособленные части. В этой модели мироздания и сам Большой взрыв, возможно, был результатом соударения нашей и параллельной мембран.
Эта модель некоторым физикам кажется настолько привлекательной, что они отстаивают предположение о циклических мембранных столкновениях. Входя в контакт, эти вселенские мембраны как бы сжимаются в направлении, перпендикулярном направлению движения, а их кинетическая энергия преобразуется в материю и излучение. Это соударение двух, а может быть, и нескольких мембран и порождает феномен Большого взрыва.
После взрывного взаимодействия мембраны расходятся и начинают расширяться с убывающей скоростью. Материя Большого взрыва эволюционирует от стрингов до сверхскоплений галактик, порождая разум, который и открывает тайны мироздания. В циклической модели силы притяжения замедляют до остановки движение расходящихся мембран, которые снова начинают сближаться, расширяясь при этом с возрастающей скоростью.