Другие измерения Вселенной: какие они и как их найти?

Если человечество хочет когда-нибудь понять космос, ученые должны согласовать основные компоненты реальности. Клиффорд Джонсон, профессор физики и астрономии в USC Dornsife, объяснил, как Вселенная может вмещать дополнительные, скрытые измерения. Четырехмерная Вселенная, известная людям, представлена тремя пространственными и одним временным измерением, но на самом деле их может быть гораздо больше - просто они слишком малы, чтобы их обнаружить.

Джонсон, который описывает свое исследование как попытку понять основную ткань природы, является известным специалистом в теории струн, одной из немногих теорий (впрочем, состоящей из множества подтеорий), которые близки к единой «теории всего», объясняющей все во Вселенной - всю реальность.

Если он и его коллеги правы, струны могут быть основными единицами бытия. Каждая частица силы или материи может сводиться к простой, одномерной, вибрирующей струне.

На протяжении большей части истории человеческий взгляд на Вселенную и на то, как она работает, обращался к крупномасштабным явлениям - планетарному движению, свойствам видимого свет и эффектам магнитных полей, например. На рубеже 20 века, когда физики начали изучать микроскопическую вселенную атомов и их составляющих, они обнаружили, что субатомный мир управляется совершенно другим набором правил. Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор и множество творческих ученых начали изучать это царство при помощи математики и прямых экспериментов.

По мере работы ученых в течение следующих нескольких десятилетий, они обнаружили, что есть два разных класса фундаментальных частиц, фермионы и бозоны. Первые являются основными составляющими материи, тогда как последние переносят взаимодействия частиц материи.

Проще говоря, разные типы бозонов передают силы между различными видами фермионов. Фотоны, к примеру, передают электромагнитную силу между заряженными фермионами вроде электронов.

«Этот большой прорыв - что есть частицы, которые могут связывать силы или взаимодействия - и был прекрасным проявлением квантовой физики, которую поняли к середине прошлого века», - говорит Джонсон.

Эта квантовая система прекрасно работает в отношении трех из четырех известных сил природы - сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает вместе частицы в ядрах атомов; слабого ядерного взаимодействия, которое приводит к радиоактивному распаду этих ядер; и электромагнетизма.

Другими словами, эти субатомные силы соответствуют единой и унифицированной теории квантовой физики. Единственная сила, которая сопротивляется общим квантовым правилам - и, следовательно, мешает созданию единой теории всего, - это гравитация.

Эйнштейн прекрасно описал гравитацию как искривление в ткани пространства-времени. Его революционная общая теория относительности - которой исполнилось сто лет в ноябре 2015 года - похоже, работает на всех крупных масштабах (на уровне планет, звезд и галактик) и низких энергиях. Ломается она лишь в крошечных высокоэнергетических пространствах, где выступают бозоны и фермионы.

Иными словами, квантовая физика прекрасно работает там, где не работает гравитация, а относительность работает в крупных системах - намного больше субатомных масштабов - где квантовые эффекты неизмеримо малы.

«Мы считаем неизбежным существование чего-то вроде гравитона, если квантовать гравитацию, и мы бы удивились, если бы гравитация не была квантово-механической, - говорит Джонсон. - Тот факт, что мы пока в этом не преуспели, это наша проблема, а не природы».

В конце 1960-х – начале 70-х годов физики по-другому взглянули на бозоны и фермионы в ядрах атомов. Они обнаружили, что участвующие в этом процессе частицы могут быть описаны как невероятно малые, одномерные, вибрирующие струны.

Теория струн быстро привлекла внимание, но также быстро ушла из поля зрения, когда возникли другие модели взаимодействия частиц. Взлеты и падения интереса продолжались некоторое время.

«Эту теорию принимали и отвергали в течение нескольких лет, - объясняет Николас Уорнер, профессор физики, астрономии и математики. - Впервые ее изобрели как теорию сильного взаимодействия, но в таком виде она провалилась. В 80-х ее воскресили как теорию квантовой гравитации, и вроде бы получилось».

На самом деле, на ранней стадии сделали одно важное наблюдение - эти вибрирующие струны могли описать ожидаемые свойства гравитонов.

«Самое классное в теории струн то, что это единственная теория, которая примиряет квантовую механику и общую теорию относительности, - говорит Уорнер, использующий теорию струн, чтобы понять квантовую физику черных дыр, самый гравитационно мощный феномен во всей Вселенной. - Она словно расширяет все, что мы могли рассчитать до текущего момента».

Но у этих расчетов есть одно но. Вселенная должна вмещать дополнительные измерения.

К счастью, дополнительные измерения - не проблема. Вселенная может содержать бесчисленные измерения, которые слишком малы, чтобы их засечь. Но поскольку струны тоже невероятно малы и одномерны, они могут вибрировать в любом из этих измерений. Это важно, поскольку хотя теория струн хорошо описывает наблюдаемые частицы - и даже гравитоны - она преуспевает лишь в том случае, если струны вибрируют в 10 измерениях как минимум.

«Когда вы начинаете работать с математикой, струны возвращаются и говорят вам, что математика не будет работать, если вы не обеспечите им свободу вибрации в других измерениях», - говорит Джонсон. И добавляет: - Когда вы позволяете струнам становиться многомерными, диапазон ваших возможностей существенно увеличивается, и появляется возможность включить все, что вы наблюдаете, в струнную теорию».

«Теоретики струн пытаются сказать, что есть один базовый тип частиц, и все зависит от разных вибрирующих состояний струны, - объясняет Уорнер. - Гравитон - это одна флуктуация или вибрация струны, фотона - другая... и так далее».

В конце концов, все может быть сведено к простейшим вещам - к струнам. Если бы не еще одно но. Хотя теория струн потенциально может объяснить все известные частицы материи и силы, ее еще предстоит проверить.

«Всегда остается возможность того, что эта база не полная или же просто неправильная, - говорит Джонсон. - Нам нужен способ получения измеримых прогнозов из теории, чтобы мы могли пойти и проверить - ключевой шаг в любой научной деятельности».

Струны, однако, скорее всего, слишком малы, чтобы их можно было увидеть непосредственно с помощью хоть какого-нибудь эксперимента в обозримом будущем. Поэтому ученые должны искать косвенные признаки струн, а теория струн до сих пор не настолько хорошо разработана, чтобы предсказать, какими могли бы стать эти признаки.

Но надежда есть. Теория струн может получить косвенную проверку, если применить ее к самому распространенному материалу во Вселенной. Наблюдения показывают, что темная материя и темная энергия составляют более 95% Вселенной. Ученые установили, что это незнакомые нам формы вещества и энергии, но их точная природа остается неизвестной. Возможно, они прячут ключи, подтверждающие правдивость теории струн, считает Джонсон.

«Все это удивительно - и унизительно. Существуют формы материи, которые естественным образом вписываются в теорию струн и которые могут быть кандидатами на темную материю, - говорит он. - Люди надеются, что они могут стать ключом, соединяющим теорию и природу».