[Перевод] Вселенная, соответствующая нашим текущим представлениям, может оказаться невозможной

Новая физическая гипотеза бросает вызов лидирующей «теории всего»

25 июня физик Тимм Врэйз [Timm Wrase], живущий в Вене, проснулся, и сонно листал в онлайне список недавно опубликованных физических работ. Один заголовок поразил его так, что он сбросил все остатки сна.

Работа выдающегося специалиста по теории струн Камрана Вафы из Гарварда, выполненная совместно с его коллегами, выдвинула гипотезу о существовании простой формулы, определяющей, каким вселенным дозволено существовать, а каким – нет, в соответствии с теорией струн. Теория струн, ведущий кандидат на «теорию всего«, сшивающий вместе гравитацию и квантовую физику, определяет всю материю и взаимодействия в виде вибраций крохотных энергетических нитей. Теория допускает порядка 10⁵⁰⁰ решений: огромный и разнообразный «ландшафт» возможных вселенных. Специалисты по теории струн, такие, как Врэйз и Вафа, годами пытались разместить нашу Вселенную где-нибудь на этом ландшафте возможностей.

Но пока Вафа с коллегами предположили, что на ландшафте теории струн вселенные, подобные нашей – точнее, такой, какой мы её себе представляли – существовать не могут. Если теория верна, как сразу понял Врэйз и другие физики, то либо наша Вселенная совершенно не такая, какой она должна быть, либо теория струн неверна.

Отвезя отпрыска в детский сад, Врэйз отправился на работу в Венский технологический институт, где его коллеги бурно обсуждали эту же работу. В тот же самый день Вафа, находясь в Окинаве в Японии, презентовал эту теорию на конференции Strings 2018, за которой следили физики всего мира. Споры разворачивались и на конференции, и в других местах. «Многие сразу же заявили: „Это наверняка ошибка“, другие сказали: „Да я уже сколько лет об этом твержу“, были и другие, промежуточные реакции», — говорит Врэйз. Он добавляет, что наблюдалось и замешательство, но «и, конечно, огромный интерес. Поскольку, если эта гипотеза верна, это будет иметь множество огромных последствий для космологии».

Исследователи засели за работу, пытаясь проверить гипотезу и изучить её последствия. Врэйз уже написал две работы, одна из которых может привести к уточнению гипотезы, причём сделал это, в основном находясь в отпуске с семьёй. Он вспоминает, как думал: «Это так интересно, мне надо проработать и изучить это глубже».

Предложенная формула, появившаяся в работе от 25 июня за авторством Вафы, Джорджеса Обиеда, Хироси Оогури и Льва Сподынейко, а потом глубже исследованная в последующей работе, опубликованной через два дня, за авторством Вафы, Обиеда, Пратеека Агравала и Пла Штейнхардта, по сути, говорит о том, что с расширением Вселенной плотность энергии вакуума пустого пространства должна уменьшаться быстрее определённой величины. Правило должно работать во всех простых моделях вселенных, основанных на теории струн. Но оно противоречит двум распространённым мнениям о реальной Вселенной: оно делает невозможным как общепринятое представление о её сегодняшнем расширении, так и ведущую модель её взрывного рождения.

* * *

С 1998 года из наблюдений в телескопы следовало, что космос расширяется всё быстрее и быстрее, из чего выходит, что вакуум пустого пространства должен подпитываться дозой гравитационно отталкивающей «тёмной энергии». Кроме того, судя по всему, количество тёмной энергии, вливаемой в пустое пространство, остаётся постоянным (насколько можно судить).

Но новая гипотеза утверждает, что энергия вакуума Вселенной должна уменьшаться.

Вафа с коллегами доказывают, что вселенные со стабильной и положительной вакуумной энергией, известные, как вселенные де Ситтера, существовать не могут. С момента открытия тёмной энергии в 1998 году специалисты по теории струн изо всех сил пытались сконструировать убедительную струнную модель де-ситтеровских вселенных. Но если Вафа прав, такие попытки обречены завязнуть в логических несоответствиях; де-ситтеровские вселенные находятся не на этом ландшафте, а в «болотах». «Я называю вещи, выглядящие непротиворечивыми, но обладающие противоречиями, болотами», — пояснил он недавно. «Они очень похожи на ландшафт, они могут вас обмануть. Вам кажется, что у вас получится их сконструировать, но на самом деле это не так».

Согласно этой «гипотезе де-ситтеровского болота», во всех возможных, логичных вселенных энергия вакуума должна либо падать как шар, катящийся под гору, либо должна прийти к стабильному отрицательному значению. (Так называемые анти-де-ситтеровские вселенные, со стабильными и негативными значениями энергии вакуума, в теории струн построить легко).

Если это предположение верно, это означает, что плотность тёмной энергии в нашей Вселенной не может быть постоянной, и должна принять форму т.н. «квинтэссенции» – источника энергии, постепенно уменьшающегося за десятки миллиардов лет. Сейчас ожидается запуск нескольких экспериментов, в которых при помощи телескопов будет с лучшей точностью установлено, расширяется ли Вселенная с постоянной скоростью, или ускоренно – то есть, появляется ли с новым пространством и пропорциональное количество новой тёмной энергии, или космическое ускорение постепенно изменяется согласно моделям квинтэссенции. Открытие квинтэссенции произвело бы революцию в фундаментальной физике и космологии, и переписало бы прошлое и будущее космоса. Вселенная с квинтэссенцией не была бы разорвана Большим разрывом, а постепенно замедлялась бы, и, согласно большинству моделей, в итоге закончила бы расширяться и сжалась бы в Большом сжатии или Большом отскоке.

Штейнхардт, космолог из Принстона и один из соавторов Вафы, говорит, что в следующие несколько лет «все взоры будут прикованы» к результатам таких экспериментов, как наблюдение за тёмной энергией, широкодиапазонный инфракрасный телескоп, и телескоп Евклида, из которых станет ясно, меняется ли плотность тёмной энергии. «Если станет ясно, что картина противоречит квинтэссенции, — говорит Штейнхардт, — это будет означать, что либо идея с болотом неверна, либо теория струн ошибается, либо обе они неверны – в общем, что-то должно оказаться неверным».

Не менее резкие сомнения новая гипотеза болота высказывает и по поводу общепринятой истории рождения Вселенной: теории Большого взрыва и космической инфляции. Согласно этой теории, крохотная частичка пространства-времени, содержавшая огромное количество энергии, быстро раздулась и сформировала макроскопическую Вселенную, в которой мы живём. Эта теория, в числе прочего, была придумана для объяснения того, как именно Вселенная стала такой огромной, гладкой и плоской.

Но гипотетическое инфляционное поле энергии, которое должно было подпитывать космическую инфляцию, не сочетается с формулой Вафы. Чтобы удовлетворять этой формуле, энергия инфляционного поля должна была истощиться очень быстро, чтобы получить гладкую и плоскую Вселенную, как объяснил он и его коллеги. Поэтому их гипотеза противоречит многим популярным моделям космической инфляции. В ближайшие годы такие телескопы, как Симонсовская обсерватория, будут искать окончательные признаки космической инфляции, сравнивая эту теорию с конкурирующими.

А в это время специалисты по теории струн, выступающие обычно единым фронтом, разошлись во мнениях по поводу гипотезы. Ева Сильверштайн, профессор физики из Стэнфордского университета, лидер проекта по созданию струнных моделей инфляции, считает весьма вероятным, что эта теория окажется неверной. Так же считает и её муж, профессор Стэнфорда Шамит Качру; он – первая буква К в KKLT, знаменитой работе 2003 года, известной по инициалам её авторов, в которой они предложили набор струнных ингредиентов, которые можно использовать для создания де-ситтеровских вселенных. Формула Вафы говорит, что конструкции Сильверштайн и Качру не сработают. «Эти гипотезы взяли нашу семью в осаду», — шутит Сильверштайн. Но с её точки зрения, модели ускоренного расширения ничего не потеряли после опубликования новых работ. «Они, по сути, просто утверждают, что этих вещей не существует, цитируя при этом весьма ограниченные, а в некоторых случаях, и сомнительные аналитические результаты», — говорит она.

Мэтью Клебан, специалист по теории струн и космолог из Нью-Йоркского университета, также работает над струнными моделями инфляции. Он подчёркивает, что новая теория болота весьма умозрительная, и является классическим примером поведения пьяницы, искавшего ключи под фонарём, потому что там было светлее, поскольку большую часть ландшафта теории струн ещё предстоит изучить. Но он признаёт, что на основании существующих свидетельств, гипотеза может оказаться верной. «Она может оказаться верной по поводу теории струн, и тогда окажется, что теория струн не описывает мир», — говорит Клебан. И, возможно, «тёмная энергия опровергла её. И это, очевидно, будет очень интересно».

Смогут ли теория болота де-Ситтера и будущие эксперименты опровергнуть теорию струн, мы узнаем позже. Сделанное в 2000-х открытие, согласно которому у теории струн есть порядка 10⁵⁰⁰ решений, убило надежду на то, что она может уникальным и неизбежным образом предсказывать будущее нашей Вселенной. Теория выглядит так, что может поддержать практически любое наблюдение, из-за чего её очень сложно экспериментально проверить или опровергнуть.

В 2005 Вафа и целая сеть соавторов начали размышлять о том, как уменьшить это количество возможностей, разметив фундаментальные свойства природы, которые в любом случае должны быть правдой. К примеру, их теория слабой гравитации говорит о том, что гравитация должна быть слабейшим из взаимодействий в любой логической вселенной. Теоретические вселенные, не удовлетворяющие подобным требованиям, выбрасываются из ландшафта в болото. Многие из этих болотных предположений хорошо справились с атаковавшими их аргументами, и некоторые «теперь находятся на очень прочном основании», — говорит Хироси Оогури, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, один из первых коллег Вафы по гипотезе болота. К примеру, теория слабой гравитации набрала столько свидетельств, что считается, что она верна в общем, вне зависимости от того, окажется ли теория струн подходящей теорией гравитации.

Интуиция по поводу того, где заканчивается ландшафт и начинается болото, появляется благодаря десятилетиям попыток построить струнные модели вселенных. Главной преградой этого проекта служит то, что теория струн предсказывает существование 10 измерений пространства-времени, что гораздо больше видимых четырёх. Специалисты по теории струн предполагают, что шесть дополнительных измерений должны быть маленькими – плотно свёрнутыми в каждой точке. Ландшафт заполняют все возможные способы настройки этих дополнительных измерений. Но хотя возможностей огромное количество, исследователи, — например, Вафа, — обнаружили появление обобщённых принципов. К примеру, скрученные измерения обычно стремятся гравитационно сжиматься, а такие поля, как электромагнитное, стремятся расталкивать всё в стороны. В простых, стабильных конфигурациях, эти эффекты сбалансированы отрицательной энергией вакуума, что приводит к появлению анти-де-ситтеровских вселенных. Превратить энергию вакуума в положительную очень тяжело. «Обычно в физике существуют простые примеры явлений общего рода, — сказал Вафа. – Но к модели де Ситтера это не относится».

Работа KKLT, авторами которой выступили Качру, Рената Каллош, Андрей Линде и Сандип Триведи, предлагает такие ловушки для струн, как флюксы, инстантоны и анти-д-браны, которые в теории могут стать инструментами для настройки положительной и постоянной энергии вакуума. Однако эти конструкции сложны, и с годами в них были найдены возможные нестабильности. Хотя Качру говорит, что у него нет «серьёзных сомнений», многие исследователи начали подозревать, что сценарий KKLT всё же не даёт никаких стабильных де-ситтеровских вселенных.

Вафа считает, что согласованные поиски модели однозначно стабильной де-ситтеровской вселенной давно уже пора было провести. Его гипотеза в первую очередь должна подчеркнуть важность этой проблемы. С его точки зрения, специалисты по теории струн не чувствуют достаточной мотивации для того, чтобы разобраться, способна ли теория струн описать наш мир, вместо занятия точки зрения, согласно которой, поскольку струнный ландшафт огромен, то на нём найдется место и для нас, хотя никто не знает, где именно. «Большая часть представителей сообщества теории струн всё ещё находится на стороне существования де-ситтеровских конструкций», говорит он, «поскольку все считают: Посмотрите-ка, ведь мы живём в де-ситтеровской Вселенной с положительной энергией; поэтому нам лучше искать примеры такого типа».

Его гипотеза побудила сообщество к действиям, и исследователи, такие, как Врэйз, занялись поисками контрпримеров стабильных де-ситтеровских вселенных, а другие играются с малоисследованными струнными моделями вселенных с квинтэссенцией. «Мне бы в любом случае было интересно узнать, верна ли гипотеза, или нет, — сказал Вафа. – Встаёт вопрос о том, чем мы должны заниматься. А прогресса мы можем достичь, только находя свидетельства в пользу или против теории».

Больше статей на научно-популярную тему — на сайте golovanov.net. Подписывайтесь на обновления по e-mail или в RSS. Статьи также дублируются на канале Яндекс.Дзен.