Как сложится в будущем наш поход за открытиями? Добьемся ли мы успеха в поисках полной единой теории, которая управляет Вселенной и всем, что в ней содержится? На самом деле, как говорилось в главе 2, мы, возможно, уже нашли Теорию Всего (ТВ) в лице М-теории. Она не имеет единой формулировки, по крайней мере, мы ее не знаем. Вместо нее мы открыли сеть внешне различных математических структур, которые все кажутся приближениями в разных пределах к одной и той же лежащей в основе фундаментальной теории, подобно тому как всемирное тяготение Ньютона является приближением к общей теории относительности Эйнштейна в пределе слабого гравитационного поля. М-теория похожа на пазл: проще всего найти и составить вместе фрагменты, лежащие по краям мозаики. Так и М-теорию легче развивать в пределах, в которых те или иные параметры малы. На сегодня у нас есть замечательные идеи об этих краях, но в центре пазла остается зияющая дыра, происходящее в которой остается для нас неведомым (рис. 7.1). Фактически мы не сможем сказать, что нашли Теорию Всего, пока не заполним эту дыру.

Что же находится в центре М-теории? Обнаружим ли мы там драконов (или что-то не менее странное), как на старых картах неисследованных земель?

Прошлый опыт подсказывает, что каждый раз, когда наши наблюдения продвигаются в направлении меньших масштабов, мы обычно находим новые неожиданные явления. К началу ХХ века мы понимали функционирование природы в масштабах классической физики, которая хорошо работает от межзвездных расстояний до примерно сотой доли миллиметра. Классическая физика считала материю сплошной средой с такими свойствами, как упругость и вязкость, но стали появляться свидетельства того, что вещество не сплошное, а зернистое: оно состоит из строительных блоков, называемых атомами. Слово «атом» пришло из греческого языка и означает «неделимый», но вскоре обнаружилось, что атомы состоят из электронов, которые обращаются вокруг ядер, состоящих из протонов и нейтронов (рис. 7.2).

Исследования в области атомной физики в течение первых трех десятилетий прошлого века позволили нам продвинуться в понимании строения материи до расстояний порядка миллионной доли миллиметра. Затем мы открыли, что протоны и нейтроны состоят из еще меньших частиц, называемых кварками (рис. 7.3).

Наши недавние исследования в области ядерной физики и физики высоких энергий позволили добраться до масштабов, еще в миллиард раз меньших. Может сложиться впечатление, что так будет продолжаться вечно, что мы будем открывать новые структуры все меньшего и меньшего масштаба. Но у этой последовательности есть предел, как и у вложенных друг в друга матрешек (рис. 7.4).

В конце появляется самая маленькая матрешка, которую уже нельзя разъять. В физике ее называют планковской длиной. Чтобы исследовать меньшие размеры, понадобятся частицы со столь высокой энергией, что они будут находиться внутри черных дыр. Точное значение фундаментальной планковской длины в М-теории нам неизвестно, но оно, по-видимому, меньше, чем миллиметр, деленный на 100 тысяч миллиардов миллиардов миллиардов частей. Нам даже близко не подойти к созданию ускорителя, пригодного для изучения столь малых размеров. Его габариты превосходили бы Солнечную систему, и при нынешнем финансовом климате его сооружение вряд ли одобрят (рис. 7.5).

И все же есть одна поразительная новая разработка, с помощью которой открыть по крайней мере некоторых драконов М-теории можно гораздо проще (и дешевле). Как говорилось в главах 2 и 3, в сети математических моделей М-теории пространство-время имеет 10 или 11 измерений. До недавнего времени считалось, что 6 или 7 лишних измерений должны быть свернуты до очень малых размеров. Это можно уподобить человеческому волосу (рис. 7.6).

Разглядывая волос под лупой, вы заметите, что у него есть толщина, однако для невооруженного глаза он выглядит как линия, имеющая длину, но никаких других измерений. Подобным образом может обстоять дело с пространством-временем: в человеческих, атомных и даже ядерных масштабах оно может выглядеть четырехмерным и почти плоским. Но если мы прозондируем его на очень коротких расстояниях с помощью частиц чрезвычайно высокой энергии, то увидим, что пространство-время 10- или 11-мерно.

Если все дополнительные измерения очень малы, их будет крайне трудно наблюдать. Однако недавно появилось предположение, что одно или несколько дополнительных измерений могут оказаться относительно большими или даже бесконечными. Эта идея имеет важное преимущество (по крайней мере, для таких позитивистов, как я), поскольку она допускает проверку на следующем поколении ускорителей элементарных частиц или путем высокоточных измерений гравитационных сил на коротких расстояниях. Такие наблюдения могут либо фальсифицировать теорию, либо экспериментально подтвердить наличие других измерений.

Большие дополнительные измерения — это захватывающая новая область исследований в наших поисках окончательной модели или теории. Они могли бы указать, что мы живем в 4-бранном мире — на четырехмерной поверхности или бране в пространстве-времени большей размерности.

Материя и негравитационные, например электрические, силы могут быть привязаны к бране. То есть все, что не имеет отношения к гравитации, происходит так же, как в четырех измерениях. В частности, сила электрического взаимодействия между ядром атома и обращающимися вокруг него электронами будет уменьшаться с расстоянием как раз с такой скоростью, чтобы электроны не падали на ядро и атомы были устойчивыми (рис. 7.7).

Не будет противоречий и с антропным принципом, гласящим, что Вселенная должна быть пригодна для разумной жизни: если бы атомы были нестабильны, мы не могли бы наблюдать Вселенную и интересоваться, почему она четырехмерна.

С другой стороны, гравитация в форме искривленного пространства может пронизывать все многомерное пространство-время. Это означало бы, что гравитация ведет себя иначе, чем остальные известные нам силы: распространяясь на дополнительные измерения, она должна ослабевать быстрее, чем мы ожидаем (рис. 7.8).

Если бы это более быстрое спадание силы тяготения продолжалось на астрономических расстояниях, то мы могли бы заметить его проявление на орбитах далеких планет. Фактически, как отмечалось в главе 3, они оказались бы нестабильными: планеты либо падали бы на Солнце, либо улетали в темное и холодное межзвездное пространство (рис. 7.9).

Однако этого не происходит, если дополнительные размерности заканчиваются на другой бране, не слишком далеко от той, на которой живем мы. Тогда на расстояниях, превышающих то, которое разделяет браны, гравитация не сможет свободно распространяться, а окажется фактически привязана к бране, подобно электрическому взаимодействию, и в масштабах планетных орбит будет спадать с правильной скоростью (рис. 7.10).

С другой стороны, на расстояниях, меньших, чем расстояния между бранами, гравитация будет изменяться быстрее. Крайне малые гравитационные силы между тяжелыми предметами тщательно измерялись в лаборатории, но эксперименты пока не обнаруживают проявления бран, разделенных более чем несколькими миллиметрами. Сейчас проводятся новые измерения на еще более коротких расстояниях (рис. 7.11).

Если в таком мире бран мы жили бы на одной бране, то рядом имели бы другую — «теневую». Поскольку свет привязан к бранам и может распространяться в пространстве между ними, видеть теневой мир мы бы не могли, однако чувствовали бы гравитационное воздействие материи с теневой браны. На нашей бране такие гравитационные силы казались бы вызванными чем-то поистине «темным», чье присутствие можно заметить только по его тяготению (рис. 7.12).

На самом деле для того, чтобы объяснить скорость обращения звезд вокруг центра нашей галактики, по-видимому, надо считать, что там находится большая масса, чем та, которую можно связать с наблюдаемым там веществом.

Недостающая масса может быть связана с какими-то экзотическими для нашего мира видами частиц, например это могут быть WIMP (weakly interacting massive particles — слабо взаимодействующие массивные частицы) иди аксоны (очень легкие элементарные частицы). Но также возможно, что недостающая масса указывает на существование теневого мира и вещества в нем. Быть может, там есть и теневые человеческие существа, озадаченные массой, которая кажется отсутствующей в их мире, но влияет на орбиты теневых звезд вокруг центра теневой галактики (рис. 7.13).

Вместо того чтобы заканчиваться на второй бране, дополнительные измерения могут быть бесконечными, но с сильным седлообразным искривлением (рис. 7.14).

Лиза Рандалл и Раман Сандрам показали, что этот тип кривизны дает эффект, очень похожий на тот, что обусловливает присутствие второй браны: гравитационное влияние объекта на бране будет ограничено небольшой окрестностью и не распространится до бесконечности в дополнительных измерениях. Как и в модели с теневой браной, на больших расстояниях гравитационное поле будет спадать как раз с той скоростью, которая нужна, чтобы объяснить планетные орбиты и лабораторные измерения, но на коротких расстояниях тяготение будет меняться значительно быстрее.

Однако между моделью Рандалл — Сандрама и моделью теневой браны есть важное различие. Тела, которые движутся под воздействием тяготения, порождают гравитационные волны, колебания кривизны, которые распространяются по пространству-времени со скоростью света. Подобно световым электромагнитным волнам, гравитационные волны должны нести энергию, это предсказание подтвердилось наблюдениями двойного пульсара PSR1913+16.

Если мы действительно живем на бране в пространстве с дополнительными измерениями, гравитационные волны, возникающие при движении тел на бране, должны уходить в другие измерения. Если есть вторая, теневая, брана, гравитационные волны будут отражаться назад и оставаться между двумя бранами. С другой стороны, при наличии только одной браны и уходящих на бесконечность измерений, как в модели Рандалл — Сандрама, гравитационные волны могут исчезать и уносить энергию из мира на нашей бране (рис. 7.15).

Это, похоже, должно противоречить одному из фундаментальных физических принципов — закону сохранения энергии, гласящему, что общее количество энергии остается неизменным. Но подобные процессы будут казаться нарушением лишь потому, что видимые нам явления ограничены браной. Ангел, способный видеть дополнительные измерения, знал бы, что энергия остается неизменной и просто растекается в стороны.

Гравитационные волны, порождаемые двумя звездами, которые обращаются одна вокруг другой, имеют длину волны много больше радиуса седловидной кривизны дополнительных измерений. Это означает, что такие волны будут, подобно силе тяготения, удерживаться в ближайших окрестностях браны, они не будут далеко распространяться в дополнительные измерения или уносить с браны значительное количество энергии. В то же время гравитационные волны с длиной короче масштаба искривления дополнительных измерений легко ускользнут из окрестностей браны.

Единственным источником значительного количества коротких гравитационных волн, по-видимому, являются черные дыры. Черная дыра на бране будет простираться и в дополнительные измерения. Если она маленькая, у нее будет почти круглая форма, то есть в дополнительных измерениях у нее будет такой же поперечник, как и на бране. А вот большая черная дыра на бране растянется в «черный блин», который привязан к окрестностям браны и может быть гораздо меньше в толщину (в дополнительных измерениях), чем в ширину (на бране) (рис. 7.16).

Как объяснялось в главе 4, квантовая теория утверждает, что черные дыры не совсем черные: они, как любое нагретое тело, испускают излучение и частицы всех видов, которые будут распространяться по бране, поскольку к ней привязаны вещество и негравитационные силы, такие как электричество. Однако черные дыры испускают также и гравитационные волны. Они не будут привязаны к бране и могут распространяться также и в дополнительные измерения. В случае большой блиноподобной черной дыры гравитационные волны останутся вблизи браны. Это означает, что скорость потери черной дырой энергии (а значит, и массы — по закону E = mc²) должна быть такой же, какой можно ожидать в четырехмерном пространстве-времени. Черная дыра должна поэтому медленно испаряться и сокращаться в размерах, пока не станет меньше радиуса кривизны седлообразных дополнительных измерений. В этой точке испускаемые черной дырой гравитационные волны начнут свободно уходить в дополнительные измерения. Тому, кто находится на бране, будет казаться, что черная дыра (или темная звезда, как ее называл Мичелл, — см. главу 4) испускает темное излучение, которое невозможно наблюдать непосредственно на бране, но о существовании которого говорит тот факт, что черная дыра теряет массу.

Это означает, что финальная вспышка излучения от испаряющейся черной дыры покажется менее мощной, чем она в действительности была. Вот почему, возможно, мы не наблюдаем всплесков гамма-излучения, которые можно было бы связать со смертью черных дыр, хотя есть и другое, более прозаичное объяснение: может быть, просто черных дыр с массой, достаточно малой, чтобы они успели испариться за время существования Вселенной, не слишком много.

Излучение от черных дыр в мире на бране возникает из-за квантовых флуктуаций частиц на бране и вне ее. Но браны, как и все остальное во Вселенной, сами подвержены квантовым флуктуациям. Они могут вызвать спонтанное появление и исчезновение бран. Квантовое рождение браны чем-то похоже на образование пузырька пара в кипящей воде. Жидкая вода состоит из миллиардов и миллиардов молекул Н₂О, связанных между собой благодаря взаимодействию между ближайшими соседями. По мере нагревания воды молекулы движутся все быстрее и, сталкиваясь, отскакивают друг от друга. Изредка эти столкновения придают такие большие скорости группе молекул, что связи между ними разрываются и образуется крошечный пузырек пара, окруженный водой. Затем пузырек будет расти или уменьшаться случайным образом в зависимости от того, каких молекул больше: тех, что переходят из связанного жидкого состояния в пар или наоборот. Большинство маленьких пузырьков пара схлопывается, вновь возвращаясь в жидкое состояние, но есть такие, что вырастают до определенного критического размера, за которым они почти наверняка продолжат расти. Именно эти большие расширяющиеся пузыри мы видим, когда вода кипит (рис. 7.17).

Аналогично ведут себя миры на бранах. Принцип неопределенности позволяет им появляться из ничего, как пузырькам, причем брана образует поверхность пузырька, а его внутренность находится в пространстве более высокой размерности. Очень маленькие пузырьки имеют тенденцию схлопываться и возвращаться в небытие, но пузырь, который благодаря квантовым флуктуациям вырос крупнее определенного критического размера, скорее всего, продолжит расти. Люди (такие, как мы), живущие на бране, то есть на поверхности пузыря, будут думать, что Вселенная расширяется. Как будто галактики нарисовали на поверхности воздушного шара и стали его надувать. Галактики будут разбегаться, но ни одну галактику нельзя считать центром расширения. Будем надеяться, что никто не проткнет наш пузырь космической булавкой.

Согласно предположению об отсутствии границ, которое мы рассматривали в главе 3, спонтанно созданный мир на бране должен иметь историю в мнимом времени, которая похожа на скорлупу ореха — четырехмерную сферу, подобную поверхности Земли, но с двумя дополнительными измерениями. Важное отличие состоит в том, что описанная в главе 3 ореховая скорлупка была, по сути, пустой: четырехмерная сфера не имела никаких границ, а шесть или семь других измерений, которые предсказывает М-теория, должны быть свернуты до размеров куда меньше скорлупки. Однако в новой картине мира на бране скорлупка должна быть наполнена: история в мнимом времени для браны, на которой мы живем, будет четырехмерной сферой, которая ограничивает пятимерный пузырь, а оставшиеся пять или шесть измерений свернуты до очень малых размеров (рис. 7.18).

Эта история браны в мнимом времени должна задавать ее историю в действительном времени, в котором она будет расширяться в ускоряющемся инфляционном режиме, как это было описано в главе 3. Идеально гладкая и круглая скорлупа будет самой вероятной историей пузыря в мнимом времени. Однако она соответствует бране, которая в действительном времени вечно расширяется в инфляционном режиме. На такой бране не образуются галактики и потому не сможет развиться разумная жизнь. С другой стороны, хотя вероятность не идеально гладких и круглых историй в мнимом времени несколько меньше, зато они могут соответствовать поведению в действительном времени, при котором брана вначале проходит фазу ускоряющегося инфляционного расширения, но потом расширение начинает замедляться. Во время этого замедления могут образоваться галактики и развиться разумная жизнь. Так что согласно описанному в главе 3 антропному принципу разумные существа, которые задаются вопросом, почему происхождение Вселенной было не идеально гладким, могут наблюдать только немного «волосатые» скорлупки.

По мере расширения браны объем пространства высокой размерности внутри нее будет увеличиваться. В конце концов образуется колоссальный пузырь, окруженный браной, на которой живем мы. Но действительно ли мы живем на бране? Согласно голографической идее, описанной в главе 2, информация о том, что происходит внутри области пространства-времени, может быть закодирована на ее границе. Так что, быть может, мы думаем, что живем в четырехмерном мире, потому что представляем собой лишь тени, отбрасываемые на брану тем, что происходит внутри пузыря. Однако, придерживаясь позитивистской точки зрения, нельзя спросить: «Что есть реальность: брана или пузырь?» И то и другое — математические модели, которые описывают наблюдения. Каждый свободен использовать ту модель, которая ему наиболее удобна. Что находится снаружи браны? Тут есть несколько возможностей (рис. 7.19).

1. Снаружи может не быть ничего. Хотя пузырь пара окружен водой, это лишь аналогия, помогающая нам визуализировать происхождение Вселенной. Можно представить себе математическую модель, которая будет просто браной с многомерным пространством внутри, за пределами которой нет абсолютно ничего, даже пустого пространства. Предсказания такой математической модели можно рассчитать без всяких ссылок на то, что снаружи.

2. Можно построить математическую модель, в которой внешняя сторона пузыря будет приклеена к внешней стороне другого пузыря. В действительности эта модель математически эквивалентна описанной выше возможности, что за пределами пузыря ничего нет, но с позиций психологии она имеет отличие: люди чувствуют себя комфортнее, находясь в центре пространства-времени, а не на его краю. Однако для позитивиста возможности 1 и 2 идентичны.

3. Пузырь может расширяться в пространство, которое не является полной копией того, что внутри пузыря. Эта возможность отличается от двух рассмотренных выше и больше похожа на случай кипящей воды. Могут образовываться и расширяться другие пузыри. Их столкновения и слияния с пузырем, на котором живем мы, чревато катастрофическими последствиями. Есть даже предположение, что сам Большой взрыв мог случиться из-за столкновения между бранами.

Подобные этим модели миров на бране — горячая тема научных исследований. Все эти построения в высшей степени гипотетические, но они предполагают новые типы эффектов, которые можно проверить наблюдениями. Они могут объяснить, почему гравитация выглядит столь слабой. В фундаментальной теории она может быть очень сильной, но растекание гравитационного взаимодействия по дополнительным измерениям будет означать его ослабление на больших расстояниях на бране, которую мы населяем.

Следствием этого будет то, что планковская длина — наименьшее расстояние, которое мы можем изучать, не создавая черных дыр, — окажется намного больше, чем соответствует слабой гравитации на нашей четырехмерной бране. Самая маленькая матрешка может оказаться не такой уж крошечной и быть в пределах досягаемости для будущих ускорителей элементарных частиц. Фактически мы могли бы уже открыть наименьшую матрешку, фундаментальную планковскую длину, если бы США из-за финансового кризиса в 1994 г. не прекратили сооружение сверхпроводящего суперколлайдера SSC (Superconducting Super Collider), который уже был наполовину построен. Сейчас строится другой такой ускоритель — Большой адронный коллайдер LHC (Large Hadron Collider) в Женеве (рис. 7.20).

Эксперименты на нем и другие наблюдения, такие как измерения фона космического микроволнового излучения, возможно, позволят определить, живем ли мы на бране или нет. Если да, то, предположительно, потому, что антропный принцип выбрал модель бран из огромного паноптикума вселенных, допускаемых М-теорией. Переиначив слова Миранды из шекспировской «Бури», воскликнем: