Глава 16. ПКГ и М-теория

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. Фактически мы не можем сказать, что нашли Теорию Всего, пока не заполним эту дыру.

С. Хокинг.

Мир в ореховой скорлупке

Решая проблему квантовой версии общей теории относительности, физики-теоретики пришли к поразительному образу текстуры пространства – времени на самых нижних этажах мироздания, можно сказать, в самой непосредственной близости от его фундамента. В этих сверхмалых масштабах, вполне сопоставимых с планковской длиной (~10^–35 м), само пространство – время превращается в кипящую пену квантовых флуктуаций, покрывающих океан виртуальных частиц. Известно, что на таких масштабах уравнения общей теории относительности теряют всякий смысл, и тут действуют исключительно квантовые законы. Соединить в единое целое квантовую теорию и гравитацию, как с физической, так и с математической точек зрения, сегодня пытается квантовая теория гравитации. Естественно предположить, что если релятивистская гравитация связана с искривлением пространства – времени, то и квантовая теория гравитации будет иметь предметом исследования квантовое пространство – время.

В конце прошлого столетия, независимо был заложен фундамент двух наиболее популярных конкурирующих направлений в теории квантовой гравитации: петлевой квантовой гравитации (ПКГ) и теории струн. Для построения ПКГ важную роль сыграли новые оригинальные формы теории относительности. Эти релятивистские формализации привели к тому, что вскоре после начала исследований структуры ПКГ теоретики обнаружили новые подходы, вполне пригодные для реального «зондирования» квантового пространства – времени. Эти соотношения в теории квантовой гравитации выявили особенности микроскопической структуры в пространственной геометрии и показали, что квантовый мир чем-то напоминает причудливо изогнутую сеть ячеек. А уже в начале нашего века на базе новых моделей квантовой гравитации была создана глубокая теория, представляющая изумительную панораму сверхмикроскопического пространства – времени. Удивительно, но концепция ПКГ, исходя из тех же предпосылок, оказывается полностью противоположной по смыслу квантовому потенциалу Бома. В теории ПКГ на планковских масштабах пространство – время предстает не непрерывным, а «сложенным» из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства. Объем этих «кирпичиков мироздания» приблизительно задается кубом планковской длины (~10^–35 м).

Получается, что если выбрать любой произвольный объем окружающего нас пространства, то, обладая неким фантастическим квантовым измерителем, мы могли бы всегда сказать, сколько в нем содержится фундаментальных «атомов» пространства – времени.

В квантовых теориях у объектов нет определенных положений и скоростей, все описывается вероятностями и волнами, занимающими определенные области пространства. В квантовом мире все пребывает в постоянном движении: даже «пустое» пространство заполнено так называемыми виртуальными частицами, которые непрерывно возникают и исчезают. Вместе с тем общая теория относительности как теория гравитации является принципиально классической и неквантовой. Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство – время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью.

Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства – времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство – время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.

В большинстве ситуаций противоречивые требования квантовой механики и общей теории относительности не представляют проблемы, поскольку или квантовые, или гравитационные эффекты оказываются настолько малыми, что ими можно пренебречь. Однако при сильном искривлении пространства – времени становятся существенными квантовые аспекты гравитации. Чтобы создать большое искривление пространства – времени, требуется очень большая масса или большая ее концентрация. Даже солнце не способно настолько искривить пространство – время, чтобы проявления квантовых эффектов гравитации стали очевидными.

Много надежд физики-теоретики связывают с оригинальной теорией струн, появившейся в семидесятых годах прошлого столетия. Современная версия такой «струнной физики» носит название суперсимметричной теории струн (теории суперструн, или суперстрингов). С ее помощью вроде бы удалось если и не устранить, то хотя бы обойти множество препятствий на пути к построению логически непротиворечивой теории квантовой гравитации. Однако, несмотря на солидные усилия, прилагаемые со стороны интернационального коллектива теоретиков, теория струн не вышла из стадии разработки. Ученым пока еще неизвестны ни окончательный вариант ее математического аппарата, ни фундаментальные системы уравнений, определяющие ее форму.

Изначально в ней видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века концепции кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. Кварковая микрофизика носит название квантовая хромодинамика (КХД), поскольку связана с динамикой цветовых зарядов кварков. Как эффективный способ расчета сильных взаимодействий, кварковая модель прекрасно согласовывается с экспериментальными данными, не выходя за границы квантовой теории поля, как универсальной основы для объяснений фундамента микромира. Струнная теория на фоне КХД выглядела не очень солидно, поскольку не обладала особой внутренней стройностью и какими-либо опытными подтверждениями.

Ко всему прочему струнная теория с самого начала столкнулась и с трудными требованиями для размерности пространства, поскольку все ее модельные варианты так или иначе включали дополнительные размерности пространственно-временного континуума. Тем более, вскоре выяснилось, что многомерность струнных моделей реализуется никак не менее, чем в десятимерном пространственно-временном континууме из девяти пространственных и одного временного измерения. Это было очень необычно, поскольку физики-теоретики и прикладные математики еще не сталкивались с теориями, автоматически диктующими разработчикам требуемую размерность. Ведь все известные уравнения механики, электродинамики и теории относительности в принципе справедливы для самого разного числа измерений. В данной ситуации казалось, что модели суперструн со своими шестью лишними измерениями останутся сугубо умозрительными построениями.

Помощь пришла со стороны теоретиков, много лет пытавшихся найти квантовую версию для общей теории относительности, ведь из соответствующих уравнений теории гравитации Эйнштейна следует существование в природе волн тяготения, превращающихся при квантовании в кванты поля тяготения – гравитоны, переносящие силы тяготения. При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать, как и фотоны электромагнитного поля, нулевой массой. И вот в семидесятых годах прошлого века появились научные работы, в которых таинственные безмассовые частицы, входящие в различные вариации струнных построений, сопоставлялись именно с гравитонами! Сразу же последовали выводы о том, что струнная теория может содержать долгожданный математический каркас для развития квантовой теории тяготения, объединяя все известные фундаментальные взаимодействия в Теорию Всего.

При этом было важно понять, почему же мы никак не ощущаем всех этих дополнительных измерений окружающего пространства. Отвечая на данный вопрос, струнные теоретики предлагают модель, в которой все дополнительные измерения свернуты в ультрамикроскопические клубки, или, по-научному, «компактифицированы». Именно поэтому все наши измерительные приборы, включая даже сверхмощные ускорители элементарных частиц, не «чувствуют» их присутствия. Впрочем, в последнее время появились идеи о том, что в некоторых экспериментах на самом мощном в мире ускорителе, Большом адронном коллайдере, может проявиться влияние скрытых измерений.

Что обещает дальнейшее развитие теории струн?

Самым грандиозным успехом здесь была бы долгожданная единая концепция всех частиц и сил – Теория Всего. На пути к этому, конечно же, возникнут новые модели пространства и времени (впрочем, их и сейчас более чем достаточно), способные прояснить многие загадки гравитации и квантовой космологии. Это грандиозная цель, и вполне возможно, что для ее осуществления потребуется еще одна революция в наших представлениях о структуре физической реальности. Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным побочным результатам в математике, включая создание новых математических структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, часто можно встретить физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования из таких областей математики, как, например, алгебраическая геометрия.

Как выглядят одномерные квантовые струны с добавленными измерениями, не рискнет себе представить ни один фантаст. Еще более далеки от нашей реальности «струнные построения» в виде очень странных двумерных объектов, называемых мембранами. Теоретический «конструктор» из струн может создавать плоские браны различной размерности, от единичных до девятимерных. Однако кубиками этого вселенского конструктора всегда остаются одномерные струны, ведь считается, что именно их вибрации и генерируют все известные нам элементарные частицы. А не так давно появилась вообще парадоксальная теория, которая предполагает, что зародыши струн в далекие времена Большого взрыва могли дорасти вместе со всей Вселенной до гигантских сверхтонких нитей со свободными концами. Такие же, но замкнутые в кольца космоструны, могут опутывать целиком всю Метагалактику, заключая ее в кокон невидимой, но ощущаемой по движению скоплений галактик темной энергии.

Здесь в очередной раз можно вспомнить рассуждения Брайа на Грина о том, что, когда мы проникаем все глубже, последовательно увеличивая область наблюдения, мы видим, что неровности пространства становятся все более неистовыми. На низшем уровне ткань пространства предстает в масштабе меньше планковской длины – миллионной миллиардной миллиардной миллиардной доли (10^–33) сантиметра и становится кипящим котлом бурлящих флуктуаций. Обычные понятия пространственных измерений и направлений здесь так перепутаны ультрамикроскопической суетой, что теряют всякий смысл. Даже обычные понятия «до» и «после»… делаются бессмысленными квантовыми флуктуациями на временных масштабах короче планковского времени, около десяти миллионных триллионных триллионных триллионных доли (10^–43) секунды (которое приблизительно равно времени, необходимому свету, чтобы пролететь планковскую длину). Подобно размытой фотографии, неистовые колебания делают невозможным однозначно отделить один временной срез от другого, когда интервал времени между ними становится короче планковского времени. Итог таков: на масштабах короче, чем планковские расстояние и продолжительность, квантовая неопределенность делает ткань космоса настолько перекрученной и искаженной, что обычные концепции пространства и времени больше неприменимы.

Теория струн началась со сверхмалых – планковских – масштабов, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные, можно сказать, с «космическими» мегаизмерениями. Переход от сверхмалых, закольцованных на планковских масштабах в некие «компактифакты» измерений, к очень масштабным и даже практически бесконечным размерностям поражает воображение. Здесь опять возникает вопрос восприятия столь странного мира в нашем пространственно-временном континууме, и струнные теоретики опять удивляют нас своим ответом – мы не ощущаем многоразмерья «внешней вселенной», поскольку навечно прикованы к трехмерной гиперповерхности нашей браны, парящей в пространстве больших измерений.

И вот здесь теория струн подсказывает способ почувствовать или даже увидеть иные пространственные размерности, научившись детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Примечательно, что подобные умозаключения могут в принципе воплотиться уже при нынешнем уровне техники эксперимента, например в космических наблюдениях с орбитальной гравитационной обсерватории НАСА «LISA». Существование сверхмасштабных дополнительных размерностей по идее должно было бы привести к очень интересным эффектам, причем наблюдаемым как во вселенских, так и планковских масштабах, можно, к примеру, представить себе образование микроколлапсаров в результате столкновения сверхэнергичных микрочастиц.

Теория струн предлагает и оригинальные космологические сценарии эволюции нашего мира. Они предполагают, что Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе лежит идея о том, что, поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство – время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Для их растяжения до метагалактических размеров потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего мира. Конечно, за скобками остается очень интересный вопрос о том, что предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке – зародыше нашей Вселенной. Следующий вопрос состоит в характере непосредственного влияния микро-мезо-макро-мега-суперструн на эволюцию Вселенной, а также изменение их физических характеристик при этом. Гипотезу мегаскопических суперструн можно привлечь и для объяснения перехода этапа равномерного расширения в ускоренное около 8 миллиардов лет назад.

Наверное, суперструны на всех этапах своего «растяжения» каким-то образом должны были взаимодействовать и с таинственными темной материей и энергией, хотя бы исходя из простейших соображений, что данные «темные стороны» мироздания составляют основное содержание Метагалактики. А поскольку исследование этих загадочных субстанций идет полным ходом во многих направлениях, есть некоторые надежды и на экспериментальное подтверждение столь экзотичной теории. Во всяком случае, и для объяснения новых эффектов на сверхмощных ускорителях, и для наблюдений галактических аномалий появляются новые очень необычные аргументы одной природы.

Поскольку первые мгновения Большого взрыва прошли «под знаком» сил тяготения, это дает сильный импульс развитию квантово-гравитационного сценария эволюции Вселенной, по крайней мере на начальном этапе. Именно концепция ПКГ предсказывает довольно впечатляющий результат исчезновения изначальной космологической сингулярности из-за квантовых флуктуационных эффектов. При этом сам процесс инициации Большого взрыва перестает быть самым загадочным процессом мироздания, и появляются определенные надежды не только проследить изначальную эволюцию Вселенной, но и заглянуть «за грань реальности» субсингулярного состояния. Теория ПКГ принципиально отличается от других теорфизических построений. Например, суперструнные объекты, такие как разнообразные стринги и многомерные мембраны, «обитают» исключительно в искусственно приготовленных для них пространственно-временных «апартаментах», при этом вопрос о самом происхождении многомерного пространства – времени здесь не решается.

В ПКГ-теории основными объектами являются субмикроскопические квантовые ячейки пространства, скрепленные друг с другом в некие «соты» внутренним полем. Теоретики ПКГ утверждают, что величина этого поля представляет для «петлевых сот» нечто, что можно было бы назвать «внутренним временем», и даже форма этого полевого потенциала напоминает стрелу времени, летящую из прошлого в будущее. Теория ПКГ предсказывает, что формирование «квантовых петлевых сот» должно происходить на определенном этапе эволюции Вселенной, когда концентрация энергии в ней становится сравнительно небольшой, именно тогда, достаточно далеко от момента сингулярности, начинается «сплавление» ячеек квантовых сот в четырехмерный пространственно-временной континуум.

Вполне возможно, что в отдаленной перспективе такие построения помогут решить задачу о генезисе Вселенной в окрестностях сингулярности Большого взрыва. Между тем анализ некоторых результатов, полученных в теории ПКГ, показывает, что при экстремальном «сжатии» метрики нашего четырехмерного континуума он начинает как бы «рассыпаться», но квантовая геометрия останавливает этот коллапс на этапе планковских размеров ячеек сот, после чего начинается расширение, в целом повторяющее историю Большого взрыва. Подобные космологические циклы «Большой взрыв – Большой Коллапс» можно проанализировать с помощью аппарата ПКГ как вперед, так и назад во времени, что позволяет совершенно по-новому взглянуть на старый сценарий циклически пульсирующей Вселенной.

Кроме новых космологических сценариев, теория ПКГ предлагает также ответы на вопрос: что же задержало наш новорожденный мир от практически мгновенного коллапса? Согласно концепции петлевой гравитации, первично устойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии стало неустойчивым по отношению к нашей Вселенной. Эта неустойчивость приводит к тому, что внутри оболочки аномалии вакуум начинает изменять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума сопровождается гигантским выделением энергии, в результате чего новообразованная Вселенная начинает расширяться с колоссальной скоростью. Этот процесс можно интерпретировать как своеобразный взрыв вакуума.

Теория ПКГ многое проясняет и в концепции инфляционной Вселенной, по крайней мере на изначальном этапе рождения нашего Мира, когда внутри быстро расширяющегося пространственно-временного континуума возникает локальная переохлажденная область, которая начинает расширяться с более высокой скоростью, напоминая стремительную кристаллизацию с увеличением объема переохлажденных водных растворов. Чтобы понять физические механизмы, приводящие к столь странной асимметрии расширяющейся Вселенной, нам придется обратиться к «непустой пустоте»: физическому вакууму.

Как уже отмечалось, современная модель физического вакуума представляет собой море виртуальных субатомных частиц, стохастическим (случайным) образом переходящих из виртуального в овеществленное состояние. Это явление хорошо известно как вакуумное флуктуирование, которое хотя и невозможно наблюдать непосредственно, имеет множество побочных проявлений в микромире элементарных частиц. Согласно физике элементарных частиц, вакуум непрерывно генерирует неисчислимое количество пар частица-античастица, которые тут же аннигилируют друг с другом, порождая всплески энергии. В теории ПКГ предполагается, что в какой-то момент квантовая флуктуация не релаксировала, а послужила началом удивительной реакции, в конечном итоге которой из пенящегося квантовыми всплесками вакуума, как Афродита из пены морской, возникла наша Вселенная.

Инфляция прообраза нашего мира была чрезвычайно быстрой, продолжаясь где-то 10^–34 секунды, причем за это сверхмалое время поперечник новорожденной Вселенной неизмеримо вырос, приобретя мегаскопические размеры. Именно инфляция окончательно сформировала весь тот набор фундаментальных физических констант, вошедших в природные закономерности, управляющие нашим миром. В самом конце инфляционного процесса силовое поле (его называют скалярным инфлатоном) стало стремительно скатываться к минимуму, быстро осциллируя и рождая поток элементарных частиц. Таким образом к окончанию инфляционной эпохи наш Мир наполнился сверхвысокотемпературной плазмой из глюонов, лептонов, свободных кварков и высокоэнергетичных квантов электромагнитного излучения. Однако и у этого космологического сценария есть существенные недостатки. Во-первых, трудно экстраполировать достаточно скромные экспериментальные данные, касающиеся виртуальных субатомных частиц очень высоких энергий, на рождение целой Вселенной. Во-вторых, строго говоря, квантовый физический вакуум представляет собой довольно сложную субструктуру, происхождение которой само по себе достаточно загадочно.

За недолгое свое существование суперструнная физическая доктрина уже успела испытать много взлетов и падений. В начале нашего века от нее отделилось новое мощное направление, которое скоро стало доминирующим – теория многомерных мембран (М-теория). Можно сказать, что эта модная теория, по сути, исследует те же струны, но плоские, или, по меткому выражению одного из ее создателей, профессора Хуана Малдасены, мембраны отличаются от струн примерно так же, как макароны от лепешек.

Согласно М-теории, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей, и внутри него скрываются многомерные мембраны – так называемые р-браны, обладающие р-размерностью. Так, 0-брана – это некая точка в пространстве, 1-брана – это знакомая нам струна, а 2-брана – некая плоскость, называемая обычно мембраной.

Подобным образом можно представить и браны более высоких размерностей, причем колебания стрингов здесь заменяются вибрациями мембран. Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно сделать вывод о том, что базис суперструнных построений составляет единая теория многомерных квантовых мембран. Эта единственность выглядит столь привлекательной, что вскоре после построения основ М-теории научные и популярные журналы заполнились прогнозами о близости окончательной победы в борьбе с тайнами окружающей нас Вселенной с помощью концепции многомерных квантовых мембран. Однако вместо этого при очередных попытках получить всеобщие закономерности эволюции нашего мира разразился очередной грандиозный кризис суперструнной М-теории.

Суть этого кризиса, полностью не преодоленного и по настоящее время, можно выразить очень кратко так: неопределенность ландшафта струнных бран в новых вариациях М-теории. Чтобы понять эти самые «продвинутые» версии теории струн, описывают эволюцию сверхмикроскопических стрингов в 11-мерном пространстве – времени при сверхвысоких температурах, плотностях и давлениях первичной среды. В процессе космологической инфляции и последующего расширения Вселенной температура, плотность и давление начинают стремительно падать, так что 7 из 11 измерений становятся крайне неустойчивы и спонтанно сворачиваются в сверхмикроскопические самозамкнутые структуры. Макроскопическими остаются только привычные нам 3 пространственных измерения и время, составляя четырехмерный пространственно-временной континуум нашей реальности. Вот здесь в ходе действия таинственного механизма компактификации и возникает немыслимо гигантское количество самых разных конфигураций свернутого «лишнего» пространства. Между тем буквально каждая из таких конфигураций приведет к совершенно новому миру со своими параметрами полевых сил, видами элементарных частиц и прочими индивидуальными отличиями. Вся эта практически бесконечная совокупность конечных вселенных, вытекающая из М-теории при самых разных «свертках» дополнительных пространственных размерностей, и называется парадоксальным «ландшафтом» теории струн.

Физики пытаются найти способы проверки принципов построения самой теории квантовых стрингов. Для ревизии такой необычной концепции потребовались очень необычные объекты – гравитационные коллапсары, более известные как черные дыры. Застывшие звезды коллапсаров действительно могут оказаться подходящими космическими лабораториями по изучению струнных теорий, поскольку из-за фантастически высокой напряженности поля тяготения у них должны зримо проявляться эффекты квантовой гравитации. Например, такие как испускание гравитационных волн, рябью покрывающих пространственно-временной континуум.

Кроме космических далей физики-экспериментаторы ищут новые силовые взаимодействия, следующие из М-теории и в лабораторных условиях. Например, исследователи постоянно совершенствуют проведение очень чувствительных экспериментов по оценке силы гравитационного тяготения между массивными телами, разделенными микроскопическими расстояниями, но, честно говоря, никто еще никогда не наблюдал хоть малейшего отклонения от закона всемирного тяготения Ньютона. Однако отрицательный результат – тоже важный результат, и на основе очень скудных опытных данных суперструнные теоретики постепенно начинают селекцию своих построений, исключая некоторые варианты моделей стринговых бран.

Итак, концепция квантовой гравитации настойчиво предсказывает, что временная шкала, непосредственно примыкающая к некой условной точке 0 начала отсчета времени существования нашей реальности, полна загадочных событий. Стремящиеся в бесконечность плотности материи и энергии пока еще не могут быть описаны современной физикой. Тем поразительнее, что теория суперструн берет на себя немыслимую смелость моделировать не только сам момент Большого взрыва, но и предшествующее развитие событий. Существует даже несколько моделей, описывающих досингулярное состояние нашего мира. Самая экзотичная из них даже предполагает, что наш мир существует внутри… черной дыры!

Основывается этот суперструнный космологический сценарий на том, что внутри гравитационного коллапсара пространство и время как бы меняются своими местами, так что мнимая центральная точка сингулярности предстает нам не в пространственном виде, а во временном. По теории струн получается, что падающая в черную дыру материя по мере приближения к центру становится все более горячей и плотной, а по достижении некоторых граничных значений вместе с кривизной пространства – времени, начинает уменьшаться. В момент такого поворота и возникает сингулярность космического катаклизма Большого взрыва. Получается, что, если следовать такому суперструнному космологическому сценарию, наш мир – это бывшая внутренность некоей Вселенной – черной дыры.

Неудивительно, что подобный сверхпарадоксальный сценарий вызвал много дискуссий среди физиков-теоретиков, так, некоторые космологи вполне справедливо замечают, что для согласования подобной модели с наблюдательными данными наш мир должен был родиться из чрева гравитационного коллапсара довольно внушительных размеров по сравнению с планковскими масштабами теории квантовых мембран. Их оппоненты при этом возражают, что поскольку уравнения М-теории не вводят никаких дополнительных ограничений на размер черных дыр, то формирование Вселенной внутри достаточно большого коллапсара является случайным событием. Если же считать, что характер поведения материи и самого пространства – времени вблизи сингулярности Большого взрыва был хаотическим, в таком хаосе вполне мог возникнуть достаточно плотный газ «мембранных протомикроколлапсаров» в виде сверхмикроскопических массивных мембран, балансирующих на грани гравитационного коллапса. Именно здесь может содержаться ключ к решению проблем загадочной сингулярности и не менее таинственной первичной экспансии пространства – времени в стандартной космологии Большого взрыва.

Ну а как же еще может описывать М-теория рождение нашей Вселенной в мире квантовых бран? Один из популярных среди струнных физиков-теоретиков космологических сценариев носит название экпиротического. В нем предлагается модель досингулярного мироздания как состоящего из неисчислимого количества квантовых мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. При столкновении таких мембран происходит множество прообразов нашего Большого взрыва, рождающих новые миры.

Давайте попытаемся представить, что зародыш нашего мира в виде многомерной мембраны парит в еще более многомерном пространстве. Вот в непосредственной близости (хотя понятие «далеко – близко» в многомерном Универсуме глубоко условно) появился еще один мембранный зародыш или, если хотите, второй родитель нашей реальности. Когда расстояние между двумя параллельными бранами уменьшится до критического, в точке условного соприкосновения начнется процесс рождения нашей Вселенной, который космологи называют Большим взрывом. Естественно, что Универсум не может содержать лишь две браны, поэтому подобные столкновения могут повторяться циклически.

Экпиротический сценарий имеет и циклический вариант, когда мембраны, сталкиваясь, отскакивают друг от друга и расходятся, затем снова притягиваются и соударяются, снова расходятся – и так практически до бесконечности. Расходясь после очередного столкновения, они как бы растягиваются и в цикле сближения снова сжимаются. При смене направления движения мембраны на противоположное она расширяется все быстрее и быстрее, поэтому наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной может свидетельствовать о грядущем грандиозном катаклизме мембранного столкновения.

У различных струнных космологических сценариев есть ряд общих черт, так, многие из них начинаются с практически безграничного, холодного и заполненного сверхразряженным веществом «досингулярного Универсума». Затем у всех происходит труднообъяснимый «транссингулярный» переход через катаклизм инициации Большого взрыва к стадии расширения. Естественно, некоторые сценарии имеют и существенные отличия, например, в предвзрывном сценарии все силовые поля вначале незначительны по величине, и, лишь постепенно возрастая, достигают экстремального максимума в момент Большого взрыва. В экпиротической модели все происходит наоборот и в момент столкновения значения силовых полей минимальны.

Сейчас уже можно определенно сказать, что одной из главных проблем космологической теории квантовых суперструн является то, что она не может предсказать, какая именно Вселенная реализуется в реальности после тех же множественных столкновений мембран. Некоторые физики-теоретики справедливо указывают, что теория космических суперструн настолько неопределенна, что из ее различных вариантов можно получить любое конечное состояние нашей Вселенной. Космологи формулируют этот парадокс как бесконечную многовариантность ландшафта теории суперструн. Вообще говоря, это означает, что теория имеет очень высокий уровень научной спекулятивности и ее крайне трудно аргументированно опровергнуть, ведь для объяснения любого экспериментального результата можно подобрать подходящую модификацию суперструнной парадигмы.

И все же струнные теоретики не оставляют надежды, что при внимательном изучении космологических сценариев М-теории им откроется некий единственно верный механизм сворачивания многомерных бран в наше привычное четырехмерное многообразие. Разумеется, поиск такого механизма представляет собой чрезвычайно сложную проблему теорфизики, поэтому большинство исследователей надеются разрубить данный гордиев узел суперструнной проблематики новыми опытными данными, подобными тем, что все время поступают с Большого адронного коллайдера.