Увидеть струну и не умереть

Возможно, вся наша Вселенная не более чем одна небольшая петелька в структуре мироздания.
Петер Грик, «Не планетоидный ландшафт», 2002, www.gric.at

Американский физик Ричард Истэр, доцент Йельского университета, на конференции «После Эйнштейна: от Большого взрыва до черных дыр», проходившей недавно в Стэнфордском университете, предложил ни много ни мало способ экспериментальной проверки Теории Всего Сущего (ТВС) – так называемой теории суперструн.

Профессор физики и математики Колумбийского университета Брайан Грин – автор фундаментальных открытий в теории суперструн, подчеркивает: «Теория струн утверждает, что Вселенная имеет гораздо больше измерений, чем доступно нашему глазу, но дополнительные измерения туго скручены и спрятаны в складчатой структуре космического пространства».

О чем, собственно говоря, речь?

Представьте, что мы смогли бы «рассмотреть» устройство материи на расстояниях порядка 10^-35 м (так называемая – планковская длина; атом водорода имеет в «поперечнике» 10^-10 м). В этом случае, утверждает теория суперструн, к своему изумлению, мы бы обнаружили, что все элементарные частицы вовсе не точечные объекты, как многие представляют их сейчас, а крошечные одномерные петли. То есть внутри каждой частицы – вибрирующая струна наподобие бесконечно тонкого резинового волокна. Каждый тип колебаний такой струны проявляется для внешнего наблюдателя – в данном случае для нас с вами – как вполне определенное свойство частицы – ее масса, например.

Одно «но». По расчетам теоретиков, для того чтобы увидеть струну, нам потребуется ускоритель элементарных частиц размером┘ с галактику, а лучше – с Вселенную. «Ускорители сегодня доходят до энергий 10¹² электронвольт, – пояснил в беседе с корреспондентом «НГ» известный российский космолог, академик Валерий Рубаков. – Это в 10¹⁶ раз меньше планковской энергии, характерной для гравитационных взаимодействий. В теории суперструн энергетический масштаб, наверное, ниже планковского – возможно, раз в 10, а возможно, и еще меньше». Другими словами, ускорители – не помощники нам в стремлении добраться до энергий, характерных для струнной теории.

Тот же Брайан Грин вынужден признать: «Математический аппарат теории струн столь сложен, что сегодня никто даже не знает точных уравнений этой теории». Ему вторит нобелевский лауреат, физик-теоретик Шелдон Глэшоу: «┘проблема состоит в том, что ее математика настолько нова и сложна, что неизвестно, сколько десятилетий потребуется на ее окончательную разработку».

Классическая патовая ситуация. Однако┘

Если мы не можем экспериментально найти непосредственно струны-петли Вселенной, то почему бы не попытаться найти хотя бы следы струн, их отпечатки на каком-нибудь материальном носителе. И природа вроде бы позаботилась о таком универсальном носителе информации. В последнее время на эту роль все чаще и чаще физики начинают рассматривать так называемое реликтовое излучение – микроволновое излучение во Вселенной, рожденное в момент Большого взрыва. Именно это микроволновое излучение на предмет обнаружения следов супертсрун и предлагает изучить Ричард Истэр. Вернее, не само излучение, а его температурную анизотропию (неоднородность).

Сегодня уже существуют приборы, которые позволяют измерять температуру реликтового излучения с беспрецедентной точностью. Это прежде всего – WMAP (Wilkinson Microwave Anistropy Probe) – Зонд для исследования микроволновой анизотропии имени Дэвида Уилкинсона. Эти и другие установки в космосе и на Земле уже зарегистрировали небольшие вариации температуры реликтового фона (в среднем это излучение имеет температуру 2,73 градуса выше абсолютного нуля).

Высокая однородность этого микроволнового фона – свидетельство в пользу теории так называемой «инфляции» («раздувания») Вселенной. Суть ее в том, что Вселенная за первые 10^-30 сек. после Большого взрыва раздулась от субатомных размеров до почти сегодняшнего ее состояния, а все остальное время – около 18 млрд. лет – относительно медленно продолжает расширяться. То есть увеличение масштабов Вселенной во время ее инфляционной фазы составило сто триллионов триллионов раз (10²⁶)! «Действие фактора, послужившего причиной инфляционных процессов, описывается струнной теорией и может быть отражено в «рисунке» микроволнового фона, – считает Истэр с коллегами. – Модификации этого фона, являющиеся результатом «действия» струнной теории, могут отличаться от стандартного предсказания для разностей температур в реликтовом излучении на целый процент».

Академик Валерий Рубаков, комментируя по нашей просьбе это сообщение, оказался более осторожным в прогнозах. «Честно говоря, я не понял, откуда взялся этот «целый процент», – подчеркнул он. – Величину эффекта предсказать сегодня невозможно, можно только гадать».

Так что с экспериментальным подтверждением Теории Всего Сущего, по всей видимости, придется повременить. А как было бы здорово узнать наконец, что ТВС все-таки существует. Ведь если теория суперструн справедлива, то мы могли бы смело утверждать, что знаем устройство и структуру Вселенной на фундаментальном, субатомном уровне. И это устройство – очень сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют┘ Красиво!

«Вообще я довольно скептически отношусь к возможности узнать что-то о теории струн из микроволнового излучения, – опять несколько охлаждает мой пыл Валерий Рубаков. – Во-первых, из-за того, что инфляция скорее всего происходила на масштабах энергий много меньших масштаба теории струн, а во-вторых, из-за того, что разные реализации идей инфляции приводят к разным результатам для спектра анизотропии реликтового излучения (поэтому трудно будет доказать, что эффект, если его обнаружат, возник именно из струн, а не из некоторой версии инфляции). Но полностью я не исключаю, что «при удачном стечении обстоятельств в ранней Вселенной» какие-то эффекты теории струн можно будет увидеть в микроволновом излучении».

Однако микроскопичность суперструн (напомню, их стандартный размер не превышает 10^–35 м), возможно, не является их «врожденным дефектом». Физики-теоретики не исключают, что в момент Большого взрыва энергии могло хватить для образования вполне макроскопических струн, которые затем вместе со Вселенной могли вырасти до астрономических масштабов. И хотя таких струн-гигантов не могло быть очень много, не исключено, что когда-нибудь, выйдя подышать свежим ночным воздухом где-нибудь в районе Сочи, мы увидим такую струну, проходящую по ночному небосклону. Как однажды сказал Эдвард Виттен, один из ведущих специалистов в области теории струн: «Хотя это выглядит фантастично, но я бы предпочел именно такой сценарий подтверждения истинности теории струн – нельзя вообразить более волнующего способа решения вопроса, чем увидеть струну в телескоп».