В теории струн можно обойтись значительно меньшим количеством Вселенных

Original author: Clara Moskowitz, Scientific American
  • Translation

Источник изображения: Juergen Faelchle/Shutterstock

Как говорят некоторые современные физики, проблема теории струн (далее ТС) в том, что для её работы нужно слишком много Вселенных. Согласно ТС, существует $10^{500}$ версий окружающего мира, каждая со своими собственными законами физики. Но если перед нами лежит такой спектр вариантов мироустройства, то как приспособить теорию для объяснения принципов именно нашей реальности?

Опять-таки, как предполагает большинство физиков — а может, и все — дополнительные Вселенные на самом деле находятся в компактифицированном состоянии; это допущение в свою очередь принимается для того, чтобы включить в теорию постоянство тёмной энергии (далее ТЭ), которую пока ещё считают основной движущей силой инфляционного расширения космоса. Однако, у некоторых учёных есть желание уничтожить «лишние» измерения; при этом они заявляют, что это не шаг назад, а наоборот, серьёзных прорыв в совершенствовании ТС. Увы, остальное научное сообщество по-прежнему считает, что подход «мультивселенной» должен сохраниться, и вообще, в целом это не такая уж и проблема.

Дебаты на подобную животрепещущую тему прошли в Японии, в конце июня, где сторонники теории струн собрались со всего света на конференцию Strings 2018 («Струны 2018»). «Несколько свежих мыслей привели к ожесточённой полемике по некоторым вопросам», — рассказывает Ульф Даниэльссон, физик Университета Уппсала, Швеция. В основном дискуссия развернулась вокруг пары научных работ (первая, вторая), опубликованных на веб-ресурсе АrXiv в течение последнего месяца, которые сфокусировались на том, что называется «ландшафтом»непостижимом множестве потенциальных Вселенных, появившихся как результат решения различных уравнений, которыми в ТС описывается и наш мир со всем его содержимым, включая тёмную энергию. Как подчёркивают обе работы, если перетащить теорию с удобного для неё «ландшафта» в так называемое «болото», то математика начинает хромать и противоречить самой себе. За прошедшие годы многие решения угодили прямиком в «болото», но ещё никто не высказывал мысль о том, что туда должны отправиться все или почти все результаты, базировавшиеся ранее на принципе «ландшафта». Как сказал на конференции Камран Вафа, физик Гарвардского университета: «Вполне возможно, что мы в принципе не в состоянии найти верного решения для теории струн, включающего тёмную энергию».

Потерявшись в Мультиверсуме


Теория струн довольно давно позиционировалась как попытка описать окружающий нас мир некоей единой «Теорией Всего», путём добавки к нему дополнительных измерений и рассмотрения всех частиц как миниатюрных непрерывно вибрирующих «струн». Многие адепты ТС до сих пор считают её наиболее подходящим способом наконец осуществить мечту Альберта Эйнштейна — соединить общую теорию относительности (ОТО) с квантовыми эффектами. Причём надо отметить, что «ландшафт», предсказывающий поведение многих Вселенных, часто отталкивает физиков. «С моей точки зрения „ландшафт“ убивает теорию, потому что она теряет ценность как метод прогноза», — говорит Пол Штайнхардт, физик Университета Принстона, автор одной из вышеупомянутых работ с критикой ТС — «Допускается буквально всё что угодно». Штайнхардт и его коллеги видят выход из ситуации в недавно обнаружившихся проблемах с добавлением тёмной энергии. «Эта история с „огромным мультиверсумом“ скорее всего математически некорректна», — добавляет Даниэльссон — «Что довольно любопытно, поскольку теория парадоксальным образом становится более пророческой, чем мы считали».

Некоторые теоретики вроде Саведипа Сети из Университета Чикаго, наоборот, даже рады происходящему: «Мне кажется, это замечательно. Я скептически относился к концепции „ландшафта“ с давних пор, и приятно слышать, что парадигма сдвинулась с точки слепой веры в возможность доказать все эти решения». Но не всем нравится мысль о том, что результаты на основе «ландшафта» на самом деле должны оказаться в «болоте» — особенно той команде исследователей, которая и предложила одну из первых версий «ландшафта» в 2003, называемую KKLT по первым буквам фамилий учёных-создателей. Шамит Кахру, одна из членов группы KKLT из Университета Стэнфорда, высказала сомнения относительно аргументации Вафы и остальных: «Нет, конечно здорово заниматься различными домыслами и пытаться предугадать, как это повлияет на итог, но я не вижу никаких причин, теоретических или экспериментальных, для того, чтобы принимать эту „угадайку“ всерьёз. Исходные данные и то, как мы собрали их вместе в единое целое — всё прекрасно обосновано». Хуан Малдасена, физик-теоретик из Института перспективных исследований, Нью-Джерси, также заявил, что он по-прежнему будет придерживаться идеи существования множества Вселенных с тёмной энергией в рамках теории струн.

Да, многие в науке вполне довольны ТС с мультиверсумом. «Понятно, что если подход с использованием „ландшафта“ корректен, то сравнивать нашу Вселенную с мультиверсумом всё равно что сравнивать Солнечную систему со всей остальной Вселенной», — поясняет Кахру. — «И это хорошо. Иоганн Кеплер пытался найти фундаментальную причину того, почему Земля находится именно на таком расстоянии от Солнца, а не каком-то другом. Но сейчас мы знаем, что наша звезда одна из миллиардов даже в этой галактике, и у многих из них тоже есть планеты, и радиус земной орбиты — просто случайное число, а не следствие какого-то глубоко спрятанного в ткани мироздания математического отношения. Соответственно, если допустить наличие триллиардов других Вселенных, то тогда и параметры окружающего нас космоса — просто набор произвольных цифр, не более. А тот вывод, что они кажутся идеально подогнанными именно для жизни человека — просто ошибка отбора; со временем человечество наверняка обнаружит подобных себе в тех редких уголках мультиверсума, где условия подходят для людей».

Разгоняющаяся Вселенная


Что ж, вернёмся к вопросу тёмной энергии: именно её неизменность никак не вяжется с теорией струн. И по словам Вафы, это отличная причина усомниться в самой концепции ТЭ — особенно в том виде, который называется «космологической постоянной». Идея, которую предложил ещё Эйнштейн в 1917 году, получила вторую жизнь в 1998, когда астрономы выяснили, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением. Космологическая постоянная должна была стать формой энергии вакуума, стабильной и противодействующей силам гравитации. Но, как оказалось, это не единственный возможный способ обосновать ускоряющийся разлёт миров. Например, есть гипотеза о «квинтэссенции» как разновидности некоего поля, пронизывающего всю наблюдаемую Вселенную и при этом изменчивого. «Вне зависимости от того, смогут ли приверженцы теории струн увязать её наконец с постоянной тёмной энергией, внезапно оказалось, что мысль об непостоянстве ТЭ гораздо естественней смотрится в ТС», — веселится Вафа — «А в таком случае выиграет тот, кто сможет измерить изменение тёмной энергии через астрономические наблюдения».

И поскольку все данные, что астрономы собрали до этого, подтверждали идею о космологической константе, то теперь образовался некоторый простор для манёвра. На зонде Euclid, инфракрасном телескопе NASA WFIRST и оборудовании строящейся Лаборатории Саймонса уже запланирован ряд экспериментов с целью понять, была ли тёмная энергия в прошлом слабее или сильнее, чем сейчас. Пол Штайнхардт: «Нам даже не придётся ждать каких-то новых технологий, чтобы приступить. Мы уже в деле».
Удивительно, но даже те, кто со скепсисом отнёсся к предположению Вафы, поддерживают поиск альтернативы космологической константе. Например, можно процитировать Еву Сильверштайн, американского космолога и физика-теоретика: «Я не думаю, что есть основания начинать гадать, какими будут результаты наблюдений по тёмной энергии. Но я согласна, что [переменное поле тёмной энергии] это сильно упрощает создание модели ускоренного расширения Вселенной».

«Квинтэссенция» не единственный вариант, к слову. На фоне работ Вафы, Даниэльссон с коллегами представили альтернативный способ «подружить» ТЭ и ТС. В их варианте наша Вселенная представляет собой трёхмерную поверхность некоего пузыря, расширяющегося в пространство с большим количеством измерений. «Учёные с помощью такой поверхности могут реплицировать физику с космологической константой», — объясняет Даниэльссон — «Со сравнению с тем, что мы думали раньше, это совершенно другой метод подставить в уравнение тёмную энергию».

Прекрасная Теория


Без сомнения, в основе всех дискуссий относительно теории струн лежит главный вопрос: в чём смысл физики как науки? Можем ли мы требовать от какой-либо пусть даже самой классной теории объяснений по поводу каждого мельчайшего события в окружающей нас Вселенной или это уже слишком? И когда теория противоречит нашим представлениям об устройстве мира — стоит отбросить теорию или то, что мы считаем «знанием» о природе вещей?

Да, ТС привлекает многих своей «красотой» — решения её уравнений вполне удовлетворительны, а предлагаемые ей объяснения не лишены элегантности. Но постепенно начинает ощущаться недостаток доказательств — и что ещё хуже, нет уверенности в том, что они в принципе отыщутся. Впрочем, даже предположение о невозможности включить ТЭ в ТС не останавливает фанатов. «Она настолько ёмкая и великолепная, и настолько правильная во многих вопросах, что мы приучили себя думать — «ошибка не в теории, ошибаюсь я сам », — напоминает Сети — «Но погоня за „красотой“ не лучший путь, чтобы разработать верную Общую Теорию Вселенной». В конце концов, как написала в своей последней книге «Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray» («Затерянный в математике: как „красота“ сбивает физиков с пути») Сабина Хоссенфилдер из Института перспективных исследований, Франкфурт: «Математика полна изумительных и чудесных вещей, и большая часть из них не имеет к реальному миру никакого отношения».

Несмотря на часто противоположные взгляды, физики-теоретики тем не менее приятные ребята, объединённые общей жаждой — познать всё сущее, в том числе и Вселенную. Кахру, создавшая «ландшафт», была научным руководителем Вафы, яростного критика её идей — но они по-прежнему дружат. «Как-то раз он спросил меня, готова ли я поклясться своей жизнью, что „ландшафт“ существует», — смеётся Кахру — «Я ответила, что готова поклясться — его жизнью!».

Автор дополнительных материалов — Lee Billings.
Статья предоставлена веб-издательством Astrobiology Magazine, спонсируемым программой астробиологии NASA.
Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 26

    +2
    Спасибо, очень познавательно и интересно написано.
      +3
      Исходник хороший — легко было переводить, временами просто подгугливая имена и некоторые непонятки.
      +1

      42

        –4
        именно её неизменность никак не вяжется с теорией струн.

        На месте струнных(или странных) теоретиков, я бы не расстраивался по этому поводу, концепция ТЭ не вяжется банально с законом сохранения энергии и другими здавыми смыслами, а не только с их многострадальной теорией.
        это отличная причина усомниться в самой концепции ТЭ — особенно в том виде, который называется «космологической постоянной».

        А вот космологическую постоянную пожалуйста не трогать, она ЕСТЬ, только это не энергия, это 4-скорость, движения пространства во времени.
          –1
          Интересно, те юродивые, которые минусую, вообще слыхали про 4-скорости, СТО, или тот факт, что все в природе так или иначе движется со скоростью света? И выглядит это не абы как, а с точностью вот так вот:
          www.youtube.com/watch?v=3OiSoptcEDs&index=8&list=PLOI9GgzgHQcNpB4dku3djMwsbnVf6NA9U&t=0s
          с поправкой на +1 измерение
            +1

            Навскидку, ваш комментарий выглядит альтернативщиной, отсюда, полагаю, и минусы.

              0
              По моему он выглядит сущей дьявольщиной, все ведь знают, что вселенная на самом деле плоская и стоит на 3 слонах, которых зовут Эйнштейн, Хоккинг и Итон Сигель, не в обиду Эйнштейну конечно.
              +1
              Может быть заминусовали от того, что:

              1. ТЭ не нарушает закон создания энергии.

              2. Космологическая постоянная не является 4-скоростью чего-либо, и вообще это скаляр.

              А ваш последующий комментарий только подтвердил, что минусовали не зря.
                0

                "сохранения энергии" конечно. Автокорректор ничего не понимает в ТЭ. :)

                  –1
                  ТЭ не нарушает закон создания энергии.

                  Значение космологической константы оценивается в порядке 10−29 г/см³,

                  Тогда будьте любезны, объясните откуда берутся эти дополнительные граммы для все расширяющегося пространства.
                  Космологическая постоянная не является 4-скоростью чего-либо, и вообще это скаляр.

                  серьезно? Но это не имеет значение главное:
                  все в природе так или иначе движется со скоростью света


                    +2
                    1. Для вселенной в целом нет транзитивности во времени, поэтому по теореме Нётер энергия вселенной в целом (и в частности проиниегрированная по растущему объёму ТЭ) не сохраняется. И закон сохранения энергии никак не нарушается, просто его условия не применимы в данном случае.

                    2. Поясните, пожалуйста, что и куда движется со скоростью света. Я вот например сижу и никуда не движусь.

                    3. Насчёт скаляра я не поняла. У вас возражения насчёт того, что космологическая постоянная скаляр?
                      +1
                      Для вселенной в целом нет транзитивности во времени, поэтому по теореме Нётер энергия вселенной в целом (и в частности проиниегрированная по растущему объёму ТЭ) не сохраняется. И закон сохранения энергии никак не нарушается, просто его условия не применимы в данном случае.

                      Все это ересь, так как
                      Теорема Нётер утверждает, что каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения:

                      однородности времени соответствует закон сохранения энергии,
                      однородности пространства соответствует закон сохранения импульса,
                      изотропии пространства соответствует закон сохранения момента импульса,
                      калибровочной симметрии соответствует закон сохранения электрического заряда и т. д.

                      Неоднородность времени в пространстве называется гравитацией и по этому в ОТО энергия не сохраняется, если, что то упало на какую то массу, то энергия этого упавшего будет равна mc^2*T1/T2-mc^2, и эта энергия целиком и полностью зависит от разности течения времени в двух точках простраства, но это так маленькое отсупление.
                      Если следовать из этой нездоровой логики последователей учения ТЭ, то неоднородность времени должна быть не только в пространства, но и с течением самого времени, например:
                      Если объем вселенной увеличивается в 8 раз, то коэффициент замедления времени для компенсации этого расширения тоже должен быть 8 следовательно все фотоны испущенные в прошлом должны «посинеть» в 8 раз, вы наблюдаете такое? Я нет и никто не наблюдает.
                      Значит есть только два варианата либо вакуум вовсе не обладает энергией, либо эта энергия ничтожно мала и компенсируется за счет космологического покраснения фотонов, энергия которых словно растворяется в расширяющемся пространстве и пополняет его энергию, положительную кстати.
                      2. Поясните, пожалуйста, что и куда движется со скоростью света. Я вот например сижу и никуда не движусь.

                      Вы ошибаетесь, даже из СТО вектор 4-скорости всегда равен скорости света, даже когда вы(имеющие массу) покоитесь, безмассовые частицы типа фотонов не имеют 4-вектора на то они и безмассовые и не могут покоится.
                      И вообще я кидал ссылку вверху как это происходит, но это пока чисто моя идея, а не СТО.

                        0
                        Извините, я слилась.
                          –1
                          Да ничего, просто я уже не в первое стыкаюсь с «темными Энергетиками» так вы еще не относитесь к самым упоротым из них. Я говорю обычно покажите хоть один пример нарушения ЗСЭ в микромире, или каких нибудь экспериментах на БАК, а уж потом будете ставить его под сомнение на космологическом масштабе. К тому же сама концепция ТЭ придумана как антипод гравитации, но по моему расширение пространства и гравитация друг с другом пересекаются лишь косвенно.
                            0

                            Н-да, видимо, вы неправильно интерпретировали мой слив. В любом случае спасибо за комплимент.

            • UFO just landed and posted this here
                +2
                А что не бред? Раньше бредом была сама мысль о возможности летать и что земля не центр вселенной.
                  –7
                  От ваших сравнений попахивает аутизмом.
                    0
                    Поясните
                    0
                    Только из-за того что некоторые истины ранее считали бредом, нельзя делать вывод, что каждый бред — может быть истиной. ;)
                      0
                      Вопрос лишь в том, кто и как будет считать, что можно считать возможной истинной, а что нет.
                    • UFO just landed and posted this here
                      0
                      Что-то мне кажется, что альтернативные вселенные существуют не в буквальном смысле. По аналогии с элементарными частицами. Есть 6 кварков, а может и больше, особенно если стерильные нейтрино и впрямь существуют, частиц из них и прочего может получаться немало. Но вот только почему-то лишь протоны стабильны из составных частиц. А куча мезонов, к примеру, менее чем за микросекунду распадаются. Может, есть дециллионы (или как там ещё большие числа по-русски называются?) вселенных, в которых атомы никогда не образовывались?
                      +4

                      "-Мне, по крайней мере, не надо было изобретать 26 измерений, чтобы включить математику.
                      -Я их не изобрел, они существуют!
                      -В каком пространстве?
                      -Во всех! Вот в этом-то и суть, кстати."

                        –3

                        ТС «не дружит» не только с ТЭ. Она провозглашает образование разных частиц, путем мультивибрации струн с разными параметрами вибрации. В S_теории оба эти вопроса решаются «модификацией» ТС в двух направлениях. Первое – струнам придается направление, при этом открытые струны становятся векторами, а закрытые струны вихрями. Второе – непосредственное «превращение» (звучание) струн в виде «гаммы» элементарных частиц дефрагментируется на совокупность шагов обретения замкнутыми струнами (вихрями) новых резонансов. Совокупность данных шагов включает в себя последовательное образование: корпускул пространства (замкнутых струн-вихрей) – виртуальных фотонов (суперволна корпускул в виде замкнутого вихря с новой резонансной частотой) – осцилляция и конгломерация ВФ в сингулярность (супер-анаполь) – симплы (преоны) – элементарные частицы СМ – [нуклоны (БМ) + частицы ТМ] – кучкование материи (облака, галактики, звезды, НЗ, ЧД). Симплы образуются путем растягивания электрических вихрей виртуальных фотонов мощным магнитным полем лопнувшей сингулярности (БВ) в вихри-спирали (аналогично движущимся электронам в магнитном поле) с последующим сворачиванием в вихри-бублики (типа анаполей Зельдовича). Данная схема образования симплов приводит к небольшому избытку отрицательно заряженных симплов в области «излияния» мощного магнитного поля с северного полюса лопнувшей сингулярности (и положительных симплов на южном полюсе). В результате образуется две Вселенных (наша и АнтиВселенная). Симплы с избытком заряда придают нескомпенсированный заряд незначительному количеству частиц ТМ, которые образуют гало галактик. Под действием этих зарядов галактики разбегаются, что интерпретируется, как действие ТЭ. Данная схема детерминирует процесс образования Вселенной, избавляя его от многовариантности других вариантов ТС и делает не обязательным использование идеи компактифицирования струн. Подробнее с ST можно ознакомиться, кликнув в сети «S_теория Чибисов».

                        • UFO just landed and posted this here

                          Only users with full accounts can post comments. Log in, please.