Восход и закат теории струн

Многие физики считают теорию струн главным кандидатом на объединение теорий квантовой физики и гравитации в единую теорию всего. Но существует и противоположное мнение, согласно которому эта концепция является практически лженаукой, так как проверить ее с помощью экспериментов невозможно. И все же некоторые исследователи считают, что у нас, возможно, появился способ это сделать – согласно новой гипотезе, которая противопоставляет теорию струн теории космической инфляции. Все это сводится к следующему вопросу: не скрыты ли квантовые секреты Вселенной от наших глаз или же есть некие детали, с помощью которых теорию струн можно объяснить?

Некоторые исследователи считают теорию струн практически лженаукой. Но так ли это?

Космическая инфляция

Один из способов исключить эту идею заключается в том, чтобы доказать, что она не предсказывает особенность нашей Вселенной. А теория струн, как оказалось, постоянно сталкивается с проблемой описания наиболее популярного объяснения того, что происходило в первые мгновения существования Вселенной – сразу после Большого взрыва: инфляции.

«Инфляция – самое убедительное объяснение того, почему наша Вселенная выглядит так, как она выглядит, и откуда взялась ее структура», — считает Марилена Лаверде, физик из университета Стоуни-Брук. Инфляция объясняет, как, в некотором смысле, мы получили все во Вселенной из ничего. Теория утверждает, что ранняя Вселенная прошла через фазу экстремального расширения. Этот процесс увеличивал случайные всплески в квантовом вакууме и превращал их в галактики и другие объекты вокруг нас.

Однако теоретикам было трудно показать, как – и работает ли вообще – инфляция работает в теории струн. Самый многообещающий путь к этому – так называемая конструкция ККЛТ (KKLT construction) убеждает далеко не всех. Некоторые исследователи отмечают, что в глубине сознания многих людей, занимающихся теорией струн, давно поселилось сомнение: действительно ли она работает?

Насколько правдоподобна теория струн?

В 2018 году группа струнных теоретиков утверждала, что, возможно, инфляция просто не может произойти в теории. Эта так называемая гипотеза де Ситтера утверждала, что любая версия концепции, которая могла бы описать пространство де Ситтера – термин для того типа Вселенной, в которой мы предполагаем существование инфляции, – имела бы какой-то технический недостаток, который поместил бы ее в «болото» отвергнутых теорий.

Отмечу, что любое ограничение инфляции повысило бы вероятность проверки теории струн на реальных данных. По словам Кумруна Вафы, физика из Гарвардского университета и одного из авторов гипотезы, исследователи могут начать строить доказательства этой идеи если смогут связать ее с хорошо известными физическими законами. Один из подходов к укреплению доверия может попытаться объяснить, какое физическое правило ограничивает инфляцию – или, если поставить вопрос более практично: как физики-теоретики смогут убедить космологов пересмотреть наиболее предпочтительную теорию?

Наша Вселенная и правда очень странная

Ответ, как это часто бывает, пришел откуда не ждали – оказывается, инфляция уже имеет нерешенную проблему: далеко не все физики согласны с тем, что происходит с мельчайшими квантовыми частицами (речь идет о расширение вакуума и увеличении его статики).

Теория всего

Физикам не хватает рабочей теории, которая описывала бы мир ниже уровня так называемой планковской длины – чрезвычайно малого расстояния, на котором они ожидают появления квантовой гравитации. Сторонники инфляции, как правило, полагают что однажды смогут включить в нее все «транс-планковские» детали и что они не будут иметь большого значения при построении любых прогнозов. Но как именно это произойдет, остается неизвестным.

Как пишет Scientific American, согласно новой гипотезе чрезвычайно крошечная квантовая нечеткость всегда должна оставаться чрезвычайно крошечной и квантовой, несмотря на увеличивающий эффект расширения. Если эта идея верна, она подразумевает ограничения на величину инфляции, которая может произойти, потому что слишком большая ее часть будет означать слишком большое увеличение транс-планковских деталей.

Таким образом, в новом подходе к теории струн исследователи действительно могут искать ответы вглядываясь в звездное небо. Существует несколько различных моделей реального процесса инфляции и астрофизики пока не располагают данными, подтверждающими хотя бы одну из них.

Теория всего позволила бы нам ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной

Еще одним важным моментом, конфликтующим с теорией струн являются гравитационные волны. Их существование доказали в 2017 году, так что ученым доподлинно известно, что гравитационные волны оставляют после себя слабый, но отчетливый отпечаток в космическом фоновом микроволновом излучении (реликтовом излучении). Однако согласно новой гипотезе, существование гравитационныхволн допускается, правда, их должно быть совсем немного. Настолько, что любой признак гравитационных волн будет означать, что теория струн не применима к нашей Вселенной. Так что физики, вероятно, должны будут придумать для них другое объяснение.