Общая теория относительности – чрезвычайно точная теория гравитации, по крайней мере, насколько мы способны об этом судить. Но, возможно, модифицированная теория сможет изгнать некоторых космических демонов?

Предсказания общей теории относительности по поводу движения космических зондов и планет точны в масштабе солнечной системы. Недавнее открытие гравитационных волн показывает, что общая теория относительности также правильно описывает процесс слияния двух черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. Но по космическим стандартам в двойной системе черных дыр огромное количество массы спрессовано в относительно малом пространстве. Что происходит с гравитацией в тех средах, где напряженность гравитационного поля слабее?

Измененная версия теории гравитации, названная модифицированной ньютоновской динамикой, может объяснить аномальное вращение галактик, которое принято считать свидетельством существования темной материи, но в каком направлении производить эту модификацию – пока неизвестно. Согласно гравитационной гипотезе DGP, названной по имени предложивших ее ученых (Двали, Габададзе, Поррати), гравитация может «просачиваться» из нашего четырехмерного пространства в объем большего числа измерений, постепенно ослабляя свое действие с течением времени. Отсюда – иллюзия существования темной энергии. Однако эта гипотеза еще требует своего экспериментального подтверждения.

Теория суперсимметрии, или Сьюзи (SUSY), как ее называют в узком кругу поклонников, – универсальный швейцарский нож в теориях элементарных частиц, ключ для открытия всего. Главный принцип заключается в том, что для каждого фермиона, образующего вещество в стандартной модели, есть свой переносчик взаимодействия – бозон, и наоборот.

Сьюзи была первоначально сформулирована для решения некоторых проблем физики элементарных частиц (например, почему три основных типа взаимодействия, не считая гравитации, имеют такие различные напряженности поля). Но потом оказалось, что нейтралино – самая легкая частица-суперпартнер, предложенная этой теорией, – являет собой готовый образчик темной материи.

Но, возможно, это чересчур хорошо, чтобы быть правдой: если бы суперсимметричные частицы существовали, они уже должны были быть созданы на Большом адронном коллайдере. Но за исключением одного странного импульса, который впоследствии не повторился, никаких знаков больше не было. Возможно, суперпартнеры тяжелее, чем мы думали, или просто мы неправильно расшифровываем имеющиеся у нас экспериментальные данные. Но постепенно у физиков-ядерщиков возникают все более серьезные опасения: возможно, природа не может дать такого четкого и ясного ответа, как это предлагает теория суперсимметрии.

Гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерное взаимодействие… Почему существует именно четыре фундаментальных взаимодействия в природе?

Наверное, наиболее вероятным пятым взаимодействием может быть слабое, действующее на больших расстояниях взаимодействие, несколько похожее на гравитацию и, вероятно, взаимодействующее с ней. Эта пятая сила может слегка гасить гравитацию, объясняя ускорение расширения Вселенной и выдавая себя за темную энергию. Или, наоборот, она может подпитывать гравитацию, объясняя наличие дополнительного притяжения, обычно приписываемого темной материи. Эта пятая сила должна быть очень хитро замаскирована, и это объясняет то, что мы не можем ее обнаружить. Одно из предположений заключается в том, что большое количество массы внутри и вокруг Солнечной системы экранирует нас от ее воздействия. Но если это и так, доказать это будет очень трудно.

Новые типы взаимодействий и соответствующие им квантовые частицы часто предлагаются для решения проблемы тонкой настройки в физике элементарных частиц, но наличие новых сил на этих масштабах кажется маловероятным. Но случайные аномалии питают надежды физиков: совсем недавно отклонения от ожидаемой скорости распада ядер радиоактивного бериллия были расценены как свидетельство существования целого нового «темного сектора» частиц и сил.

Мечты многих физиков, включая Эйнштейна, разбились о попытки сформулировать единую теорию, объясняющую все явления природы. За последние десятилетия обозначился путь к созданию теории всего: струнная теория, в особенности ее разновидность, известная как M-теория. В M-теории вещество состоит не из точечных частиц, как в стандартной модели, а из одномерных колеблющихся струн, существующих во вселенной с одиннадцатью измерениями пространства-времени. Эти струны по-разному вибрируют, создавая различные элементарные частицы, даже гравитоны, которые могут переносить квантованные гравитационные взаимодействия.

M-теория способна решить проблему тонкой настройки и в неявном виде включает в себя теорию суперсимметрии. Дополнительные измерения свернуты в крошечный клубок, и поэтому мы до сих пор ничего о них не знаем. В 1995 году был совершен прорыв: открыт путь к тому, чтобы связать теорию гравитации в пяти измерениях с чисто квантовой теорией в четырех измерениях. Это научное достижение показало, что мы на правильном пути к объединению взаимодействий и теорий.

Но успехов, подобных разработке теории соответствия AdS/CFT, еще предстоит достигнуть, чтобы теоретическое пространство-время приблизить к условиям нашей Вселенной, а теории струн еще предстоит сделать хоть одно достоверное предсказание. Больше всего беспокоит то, что она предсказывает существование мультивселенной, состоящей из 10⁵⁰⁰ различных вселенных (см. далее).

Все это привело к тому, что многие стали задаваться вопросом: а можно ли струнную теорию вообще считать наукой? Время от времени появляются варианты альтернативных теорий. Но все эти теории далеки от теории всего, в том смысле, в каком ее понимают большинство людей: такой теории, которая могла бы объяснить, например, как разум мог возникнуть из деятельности неодушевленной материи.

Многие дороги ведут к мультивселенной. Струнная теория в ней нуждается. Инфляция ее создает. Попытки многомерной интерпретации квантовой механики постоянно и невольно приводят к созданию параллельных вселенных. Из этого вытекают некоторые выводы. Во-первых, все эти вселенные могут быть разными. Во-вторых, неизвестно, как получить достоверные доказательства их существования.

В целом мультивселенные – это и благословение, и проклятие. Струнная теория или инфляционная мультивселенная, например, могут разрешить проблему точной настройки с помощью идеи о том, что наша Вселенная настроена на то, чтобы в ней существовала жизнь. Существуют и другие вселенные, где есть другие всевозможные конфигурации материи, а наша конфигурация просто оказалась одной из тех, где условия созрели для появления и эволюции разумных вопрошающих существ. Но такой «антропный принцип» освобождает нас от необходимости поиска ответа на самый волнующий вопрос «Почему?». Такой вариант представляется лучшим из всего, что мы можем сделать, но позволяя каждой возможности, кроме той, которую можно проверить, существовать где-то в мультивселенной, мы лишаем науку предсказательной силы.

При попытках объединить общую теорию относительности и квантовую теорию обычно предполагается, что уступает общая теория относительности. В конце концов, эта теория подобна той классической теории поля, которую новые квантовые теории в XX веке в значительной степени отодвинули в сторону.

Общая теория относительности начинается с предположения о том, что вещество, энергия и пространство-время являются фундаментальными структурными элементами Вселенной. А если это не так? Все исследователи, которые пытаются заглянуть за пределы общей теории относительности и квантовой теории в поисках более единого понимания природы, согласны в том, что в основе всех вещей лежит нечто другое, а именно информация. Возможно, взгляд на Вселенную сквозь информационно-окрашенные очки откроет для нас ослепительно очевидные решения, которые растопят все наши сегодняшние проблемы.