Стивен Хокинг надеялся, что M-теория объяснит Вселенную. Что это за теория?

Есть легенда, что Альберт Эйнштейн провел свои последние часы на Земле, вычерчивая что-то на листке бумаги в последней попытке сформулировать теорию всего. Спустя 60 лет и другой легендарный ученый в области теоретической физики, Стивен Хокинг, покинет этот мир с похожими мыслями. Мы знаем, что Хокинг считал, что так называемая M-теория — наш лучший шанс создать полную теорию вселенной. Но что это?

С тех пор, как в 1915 году была сформулирована общая теория относительности Эйнштейна, каждый физик-теоретик мечтал примирить наше понимание бесконечно малого мира атомов и частиц с бесконечно большим масштабом космоса. Если последнее отлично описывается уравнениями Эйнштейна, первое с необычайной точностью прогнозируется так называемой Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий.

Наше нынешнее понимание состоит в том, что взаимодействие между физическими объектами описывается четырьмя фундаментальными силами. Две из них — гравитация и электромагнетизм — проявляются для нас на макроскопическом уровне, мы имеем с ними дело каждый день. Остальные две — слабое и сильное взаимодействие — проявляются на очень малых масштабах и только когда мы имеем дело с субатомными процессами.

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий обеспечивает единую структуру для трех из этих сил, но гравитация никак не хочет вписываться в эту картину. Несмотря на точное описание крупномасштабных явлений, таких как поведение планеты на орбите или динамика галактик, общая теория относительности перестает работать на очень коротких дистанциях. Согласно Стандартной модели, все силы опосредуются определенными частицами. В случае с гравитацией работу выполняет гравитон. Но когда мы пытаемся рассчитать взаимодействия этих гравитонов, появляются бессмысленные бесконечности в уравнениях.

Полноценная теория гравитации должна быть рабочей в любых масштабах и принимать во внимание квантовую природу фундаментальных частиц. Это позволило бы уместить гравитацию в объединенной структуре с тремя другими фундаментальными взаимодействиями, тем самым создав пресловутую теорию всего. Конечно, с тех пор, как умер Альберт Эйнштейн в 1955 году, был проделан значительный прогресс в этой области. Наш лучший кандидат сегодня носит имя M-теории.

Революция струн

Чтобы понять основную идею М-теории, нужно вернуться в 1970-е годы, когда ученые поняли, что вместо того, чтобы описывать вселенную, основываясь на точечных частицах, их лучше было бы описывать в виде осциллирующих струн (энергетических трубочек). Новый способ осмысления фундаментальных составляющих природы привел к решению многих теоретических проблем. Прежде всего, отдельное колебание струны можно интерпретировать как гравитон. И в отличие от стандартной теории гравитации, теория струн может описывать его взаимодействия математически и не получать странных бесконечностей. Значит, гравитацию можно будет включить в объединенную структуру.

После этого волнительного открытия физики-теоретики приложили много усилий, чтобы осознать его последствия. Но, как это часто случается с научными исследованиями, история теории струн полна взлетов и падений. Сперва люди были озадачены тем, что она предсказывала существование частицы, которая движется быстрее света, так называемый «тахион». Это предсказание вошло в противоречие со всеми экспериментальными наблюдениями и бросило серьезную тень на теорию струн.

Тем не менее этот вопрос был решен в начале 1980-х годов вместе с введением в теорию струн так называемой “суперсимметрии”. Она предсказывает, что у каждой частицы есть свой суперпартнер и, по необычному совпадению, то же самое условие фактически устраняет тахион. Этот первый успех широко известен как “первая струнная революция”.

Другая необычная особенность в том, что теория струн требует существования десяти пространственно-временных измерений. В настоящее время нам известно лишь четыре: глубина, высота, ширина и время. Хотя это похоже на серьезное препятствие, предлагалось уже несколько решений, и в настоящее время это все видится скорее необычной особенностью, нежели проблемой.

Например, мы могли бы существовать в четырехмерном мире без какого-либо доступа к дополнительным измерениям. Либо же лишние измерения могли быть “компактными” и умещены в такие небольшие масштабы, что мы их не замечали бы. Однако различные компактификации привели бы к иным значениям физических констант и иным законам физики. Возможное решение состоит в том, что наша Вселенная лишь одна из многих в бесконечной “множественной вселенной”, управляемой разными физическими законами.

М-теория

Оставалась еще одна проблема, которая не давала покоя теоретикам струн того времени. Тщательная классификация показала существование пяти различных последовательных теорий струн, и было непонятно, почему природа должна выбирать одну из пяти.

И здесь в игру вступает М-теория. Во время второй революции струн в 1995 году физики предположили, что пять последовательных теорий струн на деле являются разными лицами уникальной теории, которая существует в одиннадцати пространственно-временных измерениях и называется М-теорией. Она включает каждую струнную теорию различных физических контекстов, при этом оставаясь рабочей для всех. Эта невероятно увлекательная картина привела большинство теоретических физиков к идее, что М-теория станет теорией всего — и она также математически более последовательна, чем все остальные предлагаемые теории.

Как бы то ни было, пока что М-теория не смогла произвести прогнозы, которые могут быть проверены экспериментально. Суперсимметрия в настоящее время тестируется на Большом адронном коллайдере. Если бы ученые смогли найти признаки существования суперпартнеров, это окончательно укрепило бы позиции М-теории. Но современная теоретическая физика пока не в состоянии дать проверяемые прогнозы, а экспериментальная не может представить для этой проверки эксперименты.

Большинство великих физиков и космологов одержимы желанием найти это прекрасное и простое описание мира, которое могло бы объяснить все. И хотя мы пока далеки от этого, без гениальных и творческих людей вроде Хокинга это было бы и вовсе невозможно.