Вот краткий обзор канонических идей относительно того, каким образом теория струн может описывать реальный мир. В наиболее распространённом сегодня варианте теории струн мир описывается как десятимерный. Естественно, я имею в виду теорию суперструн, которая помимо этого содержит ещё несколько фермионных измерений, но их мы пока оставим за скобками. Шесть из этих десяти измерений свёрнуты или, как говорят теоретики, компактифицированы. Наиболее предпочтительным способом компактификации является использование суперсимметрии совместно с формализмом мировых листов. Масштаб свёрнутых измерений очень мал, возможно, он всего в несколько раз больше, чем характерный масштаб колебаний струны. Все обертоны столь массивны, что даже при энергиях, достижимых в экспериментах БАК, они не играют существенной роли, таким образом, основная информация, которую мы получаем в ходе экспериментов, касается наинизших колебательных мод струн. В некоторых теоретических сценариях существуют D-браны или другие браны, которые слегка «приправляют» суперструнное блюдо дополнительными измерениями, что приводит к появлению дополнительных квантовых состояний, которые могут быть обнаружены в БАК-экспериментах.

После того как мы компактифицировали шесть дополнительных измерений, самое время задаться вопросом: к какой реально наблюдаемой четырёхмерной физике приводит нас получившаяся картина? В нашем блюде всегда будет присутствовать гравитация и, кроме неё, как правило, ещё одна калибровочная теория, неотличимая от квантовой хромодинамики. Гравитация порождается безмассовыми состояниями струн, которые квантово-механически приправлены дополнительными шестью измерениями. Калибровочная теория порождается либо такими же, слегка приправленными дополнительными измерениями, струнными состояниями, либо дополнительными состояниями, связанными с бранами.

Четырёхмерная гравитация — это великолепно. Это именно то, что описывает общая теория относительности. А вот ответ на вопрос, является ли получившаяся теория «теорией всего», зависит от того, насколько хорошо получившаяся калибровочная теория предсказывает поведение субатомных частиц, которые мы наблюдаем в экспериментах на ускорителях. Чтобы лучше разобраться в калибровочной теории, вспомним, что в предыдущей главе мы описывали калибровочную симметрию квантовой хромодинамики в терминах трёх цветов: красного, зелёного и синего. Теория, являющаяся наиболее перспективным кандидатом на роль теории всего: кварков, глюонов, электронов, нейтрино и прочих частиц, — содержит как минимум пять цветов. Есть несколько способов «прикрутить» эти пять цветов к конструкции струнной теории. Мы не способны экспериментально зафиксировать именно такое количество цветов, но существует нечто, что может помочь нам отличить два дополнительных цвета от трёх известных. Это что-то может быть похоже, например, на бозон Хиггса, но есть и другие идеи. Чтобы представить, откуда могут взяться именно пять цветов, перечислим известные нам фундаментальные частицы, являющиеся фермионами. Их три: кварки, электроны и нейтрино. Кварки могут иметь три различных цвета, а электрон и нейтрино только по одному. Три плюс один плюс один будет пять. Вот видите: всё очень просто.

После того как поднятая строителями струнных конструкций пыль оседает, оказывается, что получившиеся теории прекрасно согласуются с экспериментами. Как правило, эти теории требуют существования суперсимметрии и содержат не один бозон Хиггса, а два и в довесок к нему ещё целый ряд частиц, масса которых сопоставима с массой бозона Хиггса. Также они предсказывают наличие очень малой массы у нейтрино и включают гравитацию в том виде, как её описывает общая теория относительности. В общем, всё это весьма впечатляет. Ведь и правда: ни одна другая теоретическая основа фундаментальной физики не предоставляет нам всех необходимых для приготовления теории ингредиентов и не обеспечивает их правильного взаимодействия. Если струнные теоретики каким-то образом случайно попали в десятку, то теория струн действительно окажется теорией всего, то есть будет описывать все фундаментальные частицы, все взаимодействия между ними и все наблюдаемые типы симметрии. Нам же не останется ничего другого, кроме как решать уравнения этой теории и предсказывать все измеримые в физике элементарных частиц величины: от массы электрона до силы взаимодействия между глюонами.

Тем не менее на пути создания теории всего по-прежнему стоит ряд трудностей. Многое зависит от размера и формы дополнительных измерений. Мы до сих пор не понимаем, почему эти дополнительные измерения не могут быть плоскими. Другими словами, мы не понимаем, что за таинственная сила удерживает наш мир в четырёхмерном состоянии, не давая ему развернуться во всех десяти измерениях. По другой версии, когда-то, на заре существования Вселенной, все измерения были компактифицированы, а потом по какой-то причине только трём из девяти пространственных измерений удалось развернуться в привычный нам мир. Никто не может объяснить, почему дополнительные измерения имеют именно ту форму, которую имеют. Вдобавок ко всему эти измерения, как правило, вялые. Чтобы вы поняли, что я имею в виду, вспомним ещё раз разговор о клубке D0-бран. Он тоже обладает определённой вялостью, каждая D0-брана в нём очень слабо связана с остальными, и практически ничто не мешает ей улететь прочь, а D0-браны снаружи клубка не притягиваются к нему и не отталкиваются от него. Вялость дополнительных измерений означает, что они могут менять свой размер и форму с такой же лёгкостью, как D0-браны могут покидать упомянутый клубок.

Мир теории струн. Обычные четыре измерения (вверху) медленно расходятся с течением времени, обеспечивая расширение Вселенной. Шесть дополнительных измерений (внизу) удерживаются в свёрнутом состоянии обёрнутыми вокруг них бранами, магнитными полями и квантовыми эффектами

На то, чтобы придумать механизм, каким-то образом закрепляющий дополнительные измерения и не дающий им вести себя как попало, было потрачено много времени и усилий струнных теоретиков. Обычно для этого пытаются приспособить браны и магнитные поля. Роль бран представить достаточно просто. Они сродни шпагату, которым перевязывают посылку на почте; трудность состоит в том, что эта посылка мягкая. При попытке связать её она начинает выпирать в разные стороны при затягивании шпагата, и для сохранения формы приходится перевязывать её многократно в разных направлениях. Магнитные поля играют роль плотной упаковочной бумаги, придающей посылке относительную жёсткость.

Итоговая картина мира оказывается весьма сложной. Вероятно, существует множество способов связать дополнительные измерения, предохранив их от развёртывания, но наличие такого большого числа вариантов в некоторых случаях рассматривается как положительная черта модели из-за так называемой проблемы космологической постоянной. Вкратце проблема состоит в следующем: при наличии ненулевой космологической постоянной три пространственных измерения стремятся с течением времени «расходиться». Из астрономических наблюдений мы знаем, что большинство галактик разбегаются в разные стороны, и это интерпретируется как расширение пространства. Существование космологической постоянной приводит к тому, что это расширение становится ускоренным. Наблюдения, выполненные в течение последних десяти лет, свидетельствуют о том, что расширение Вселенной действительно ускоряется со временем, что может быть объяснено существованием очень малой космологической постоянной. Если мы хотим описать мир с позиций теории струн, то нужно придумать механизм, который, с одной стороны, удерживал бы шесть скрытых измерений в свёрнутом состоянии и не давал им двигаться, а с другой — обеспечивал бы трём развёрнутым пространственным измерениям слабую возможность расширяться, причём расширяться с ускорением. Я не стану объяснять здесь, почему это так, но похоже, что число способов связать нужным образом дополнительные измерения чрезвычайно велико. Согласно некоторым струнным теоретикам, такое множество вариантов гарантирует, что среди них найдётся хотя бы один, описывающий наш реальный мир с идеальной точностью, включая существование космологической постоянной именно такой величины, как мы наблюдаем. Наша Вселенная с этой точки зрения является единственной среди множества возможных вселенных, в которой дополнительные измерения связаны именно таким способом. В противном случае разумная жизнь во Вселенной не могла бы существовать. С другой стороны, наше существование является причиной, по которой мы наблюдаем именно такую Вселенную, потому что другие вселенные наблюдать просто некому. Лично я нахожу этот аргумент достаточно убедительным, чтобы признать правильность теории струн.

Струнные теоретики прошли суровую закалку, пытаясь на протяжении более чем двадцати лет приготовить теорию всего, и не последнюю роль в этом сыграла проблема свёрнутых измерений. Но чем лучше мы узнаём теорию струн, тем больше проблем она ставит перед нами, и это удручает. Возможно, стоит сравнить трудности, возникающие при попытках описать реальный четырёхмерный мир на основе теории струн, с трудностями, возникшими в другой области теоретической физики — высокотемпературной сверхпроводимости. Открытая в 1986 году, высокотемпературная сверхпроводимость позволяет передавать большие электрические мощности без потерь энергии. Эпитет «высокотемпературная» здесь, конечно, не слишком удачен, поскольку при этих температурах замерзает даже воздух, но они гораздо выше тех температур, при которых эффект сверхпроводимости наблюдался ранее, и это очень важно для его промышленного использования. Теоретически, однако, очень трудно понять, как работает высокотемпературная сверхпроводимость. Существующая теория, известная с 1950-х годов, объясняет обычную сверхпроводимость, и она основана на эффекте образования электронных пар. Сила, удерживающая электроны в парах, основана на... звуке! Электроны как бы «разговаривают» друг с другом на расстояниях, во много раз превышающих размер атома, а затем согласовывают своё движение таким образом, чтобы избежать потерь энергии. Мистика. Но весьма хрупкая, потому что тепловое движение мешает спариванию электронов: при повышении температуры электроны уже не могут «перекричать» шум теплового движения и «услышать» друг друга. Считается, что описание 1950-х годов, в котором электроны координируют свои действия посредством звуковых волн, не годится для высокотемпературных сверхпроводников. Электроны, вероятно, по-прежнему образуют пары в этих материалах, но на гораздо меньшем расстоянии и связываются гораздо более сильным образом. Возможно, определённую роль играет особая мелкозернистая структура среды. Существует ряд теоретических предположений о том, как это может происходить, но мне кажется, что в целом проблема пока не решена.

Решённая или нет, но проблема высокотемпературной сверхпроводимости даёт несколько хороших уроков теории струн. Главный из них состоит в том, что одних только теоретических выкладок зачастую недостаточно. Высокотемпературная сверхпроводимость была открыта экспериментально, в то время как теоретики до сих пор не в состоянии дать удовлетворительное объяснение этому явлению. Правильная теория реального мира может быть весьма далека от того, что мы способны вообразить. Хрупкость электронных пар, удерживаемых звуковыми волнами, напоминает мне вялость дополнительных измерений, едва удерживаемых в свёрнутом состоянии. Не исключено, что «настоящая» теория струн, описывающая реальный мир, так же сильно отличается от конструкции, в которой дополнительные измерения связаны бранами и скреплены магнитными полями, как современное объяснение сверхпроводимости отличается от теоретических построений 1950-х годов. И процесс её построения может затянуться.