Текст книги "Теория струн и скрытые измерения вселенной"
Автор книги: Стив Надис
Соавторы: Яу Шинтан
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 21 (всего у книги 29 страниц)
В результате десятимерное пространство‑время получается не прямым, а, скорее, кривым произведением, часто называемым в русскоязычной литературе искривленным произведением, означающим, что эти два подпространства взаимодействуют.
Короче говоря, на расстояния в четырехмерном пространстве‑времени, которые постоянно увеличиваются или искривляются, влияет шестимерная часть. Степень расширения или сжатия четырехмерного пространства‑времени зависит от коэффициента искажения, и в некоторых моделях искажение представляет собой экспоненциальную функцию.
Обратимся к нашему примеру с цилиндром. Давайте представим шестимерное пространство при помощи круга. Четырехмерная часть представляет собой линию, перпендикулярную к этому кругу и мы изобразим ее отрезком линии, а не бесконечной линией, чтобы показать, как шестимерное пространство влияет на расстояния. Если искажение отсутствует, то, по мере того как вы перемещаете отрезок линии, проходя все точки круга, вы будете вычерчивать правильный сплошной цилиндр.
Однако из‑за искажения длина отрезка может варьировать в процессе путешествия по кругу. В одной точке она может быть равна 1, в другой 1/2, еще в другой 1 1/2 и т. д. В результате вы получите неровный, волнистый цилиндр, который деформирован искажением. В 1986 году физик Эндрю Строминджер выразил все это через набор уравнений.
Рис. 10.7.Так называемое декартово произведение круга и отрезка линии аналогично присоединению этого же линейного сегмента к каждой единичной точке на круге. В результате получаем цилиндр. Искривленное произведение выглядит по‑другому. В этом случае длина линейного сегмента не должна быть постоянным числом; она может варьировать в зависимости от ее положения на круге. Таким образом, в этом случае мы получаем не настоящий цилиндр, а объект, который можно назвать волнистым, иррегулярным цилиндром
Строминджер отмечает, что в более ранней статье 1985 года, написанной им вместе с Канделасом, Горовицом и Виттеном, где представлена первая серьезная попытка компактификации Калаби‑Яу, они сделали упрощающее допущение о том, что четырехмерная и шестимерная геометрии являются независимыми. «И мы нашли решения, в которых они являются независимыми, хотя теория струн не требует этого. Годом позже я решил уравнения, которые получаются без этих допущений». Это так называемые уравнения Строминджера, которые касаются ситуации, где включаются потоки, а четырех‑ и шестимерные пространства взаимодействуют. «Возможность независимого существования обеих геометрий вызывает интерес, потому что из этого положения вытекает несколько действительно важных следствий», – добавляет Строминджер. Самое выдающееся из этих следствий заключается в том, что искажение может объяснить проблему иерархии масс, то есть почему масса бозона Хиггса настолько меньше планковской массы и почему гравитация настолько слабее других сил.
Уравнения Строминджера, которые применяют к не‑кэлеровым многообразиям, описывают более широкий класс решений, чем уравнения, приведенные в статье 1985 года, которые применимы только к многообразиям Калаби‑Яу. «Чтобы понять способы реализации теории струн в природе, необходимо понять более общие решения, – говорит Строминджер. – Важно понять все решения для теории струн, а пространство Калаби‑Яу не содержит их все».[200] Гарвардский физик Ли‑Шенг Ценг (мой постдок) сравнивает многообразия Калаби‑Яу с окружностью, «которая является самым красивым частным случаем среди всех гладких и замкнутых одномерных кривых». Уравнения Строминджера (иногда называемые системой Строминджера), по его словам, «включают смягчение условия, определяющего многообразия Калаби‑Яу, подобно тому, как смягчение условий, определяющих окружность, приводит к условиям, определяющим эллипс». Если у вас есть замкнутая петля из струны фиксированной длины, то существует только одна окружность, которую можно сделать из нее, в то время как вы можете сделать бесчисленное число разных эллипсов, взяв окружность и сжимая или раздвигая ее в разной степени. Из всех кривых, которые вы можете сделать из этой петли, окружность является единственной, которая остается инвариантной к поворотам вокруг центра.
Для того чтобы убедиться, что окружность является частным случаем эллипса, нам необходимо посмотреть на уравнение, которое определяет эллипс в декартовой системе координат (x, y): x 2 /a 2 +y 2 /b 2 =1, где aи b– положительные, действительные числа.
Кривая будет являться окружностью только при условии, что a=b. Кроме того, необходимы два параметра аи b, чтобы определить эллипс, и только один параметр (так как а=b), чтобы определить окружность. Это условие делает эллипс несколько более сложной фигурой, чем окружность, как и система Строминджера (не‑кэлерова) является более сложной, чем многообразия Калаби‑Яу, которые можно описать меньшим числом параметров.
Хотя переход от окружности к эллипсу и от многообразия Калаби‑Яу к не‑кэлерову многообразию можно считать шагом назад с точки зрения симметрии и красоты, Ценг отмечает: «очевидно, что природа не всегда выбирает самую симметричную конфигурацию. Например, подумайте об эллиптических орбитах планет. Поэтому вполне возможно, что внутренняя шестимерная геометрия, описывающая нашу естественную Вселенную, может быть не полностью симметричной, как Калаби‑Яу, а чуть менее симметричной, как система Строминджера».[201]
Рис. 10.8.Если у вас есть петля фиксированной длины, то вы можете сделать бесконечное число эллипсов, одни более вытянутые, другие – более округлые, но вы можете сделать только одну окружность заданной длины. Другими словами, ослабив свойства, которые определяют окружность, вы можете получить любое число эллипсов. Аналогично многообразие Калаби‑Яу, которое имеет кэлерову симметрию, по определению является (как и окружность) более частным случаем, чем не‑кэлерово многообразие, которое удовлетворяет менее жестким условиям и охватывает более широкий класс объектов
Система, предложенная Строминджером, отнюдь не сахар, поскольку она состоит из четырех дифференциальных уравнений, которые должны быть решены одновременно, причем каждое из них может быть кошмаром для решения. Эта система состоит из двух эрмитовых уравнений Янга‑Миллса, которые предназначены для калибровочных полей (см. девятую главу). Еще одно уравнение гарантирует, что вся геометрия является суперсимметричной, а последнее предназначено для устранения аномалий, что существенно для обеспечения согласованности теории струн.
Как будто и без того задача не оказывается достаточно сложной, так вдобавок каждое из четырех уравнений фактически представляет собой систему уравнений, а не одно уравнение. Каждое из них можно записать как тензорное уравнение, но так как сам тензор содержит много переменных, то можно разделить одно уравнение на отдельные уравнения для компонентов.
По этой же причине известное уравнение Эйнштейна, которое содержит в себе всю общую теорию относительности, фактически представляет собой набор из десяти уравнений поля, описывающих гравитацию как кривизну пространства‑времени, вызванную наличием вещества и энергии, несмотря на то что его можно записать как одно тензорное уравнение. При доказательстве гипотезы Калаби решение уравнений Эйнштейна в вакууме сводится к одному уравнению, хотя и довольно впечатляющему. С не‑кэлеровыми многообразиями работать тяжелее, чем с многообразиями Калаби‑Яу, потому что здесь наблюдается меньшая симметрия и, следовательно, больше переменных, каждая из которых ведет к увеличению числа уравнений, подлежащих решению. Кроме того, на данный момент у нас фактически нет математических инструментов для решения этой проблемы. В случае с Калаби‑Яу, мы привлекли алгебраическую геометрию, инструменты которой разрабатывались на протяжении двух предыдущих столетий, что позволило нам справиться с кэлеровыми многообразиями, но не с их не‑кэлеровыми коллегами.
Тем не менее я не считаю, что эти два класса многообразий настолько разные с математической точки зрения. Мы использовали геометрический анализ для построения многообразий Калаби‑Яу, и я убежден, что эти инструменты помогут нам построить не‑кэлеровы многообразия, допуская, что сначала мы должны решить уравнения Строминджера или, по крайней мере, доказать, что решения существуют. Физикам необходимо знать, действительно ли не‑кэлеровы многообразия могут существовать и если да, то удовлетворяют ли всем четырем уравнениям сразу, поскольку, если это невозможно, то люди, работающие над этой задачей, просто даром теряют время. Я занимаюсь ею почти двадцать лет с тех пор, как Строминджер выдвинул свою идею, и не могу найти решение. То есть решение без сингулярностей, так как Строминджер нашел несколько решений с сингулярностями, но они оказались чрезвычайно сложными. И люди начали верить, что решений без сингулярностей не существует.
Затем произошел небольшой прорыв. Я и несколько моих коллег обнаружили решения без сингулярностей для пары специальных случаев. В первой статье, которую я завершил в 2004 году вместе с математиком из Стэнфорда Юном Ли (моим бывшим аспирантом), мы доказали, что класс не‑кэлеровых многообразий математически возможен. Фактически для каждого известного многообразия Калаби‑Яу мы доказали существование целого семейства не‑кэлеровых многообразий, которые достаточны похожи по структуре, чтобы входить в одно семейство. Таким образом, впервые существование этих многообразий было подтверждено математически.
Хотя решение уравнений Строминджера является чрезвычайно трудным делом, мы с Ли сделали самое легкое, что можно было сделать в этой области. Мы доказали, что эти уравнения можно решить для частного случая, когда не‑кэлерово многообразие очень близко к многообразию Калаби‑Яу. Фактически, мы начали с многообразия Калаби‑Яу и показали, как его деформировать, чтобы геометрия или метрика уже не были кэлеровыми. Хотя многообразие все еще могло поддерживать метрику Калаби‑Яу, его метрика уже была не‑кэлеровой, что сделало возможными решения системы Строминджера.
Вероятно, важнее то, что Ли и я обобщили теорему DUY (о которой упоминалось в девятой главе и название которой является аббревиатурой фамилий ее авторов – Дональдсона, Уленбека и Яу), чтобы охватить все не‑кэлеровы многообразия. Теорема DUY имеет большое практическое значение, потому что она автоматически берет на себя решения двух из четырех уравнений Строминджера, связанных с эрмитовой теорией Янга‑Миллса, и позволяет решить уравнения суперсимметрии и устранения аномалий.
Учитывая, что DUY является инструментальным средством для компактификаций Калаби‑Яу (с точки зрения воспроизведения калибровочных полей), мы надеемся, что она также пригодится для не‑кэлеровых компактификаций.
Одним из перспективных способов получения не‑кэлеровых многообразий, подразумеваемый гипотезой Рида, является применение конифолдного перехода к уже известному многообразию Калаби‑Яу. Я недавно рассматривал эту возможность с Юном Ли и Джи‑Хианом Фу, бывшим своим гарвардским аспирантом, сейчас работающим в Фуданьском университете в Шанхае. Исходное многообразие, с которого мы начали, предложил Херб Клеменс, один из архитекторов конифолдного перехода, но он обеспечил нас только общей топологией, то есть многообразием без метрики и, следовательно, без геометрии. Фу, Ли и я пытались придать этому многообразию некоторую форму, показав существование метрики, которая будет удовлетворять уравнениям Строминджера.
Эти уравнения представляются уместными здесь, потому что они применимы не только к не‑кэлеровым многообразиям, но также к многообразиям Калаби‑Яу, которые представляют собой частный случай. Кроме того, гипотеза Рида включает процедуру, которая позволяет перейти от многообразий Калаби‑Яу к не‑кэлеровым многообразиям и обратно.
Таким образом, если вам нужен набор уравнений, которые охватывают обе геометрии, то формулировки Строминджера – возможно, именно то, что вы искали. Мы с коллегами доказали, что многообразие Клеменса удовлетворяет трем из четырех уравнений Строминджера, но пока мы не нашли решение для самого трудного из всех уравнений – уравнения устранения аномалий. Я все еще убежден, что искомое многообразие существует. В конце концов, если наши усилия увенчались решением трех уравнений – это уже хорошо. Но пока мы не решим последнее уравнение, у нас не будет необходимого доказательства.
Фу и я пошли дальше, показав, как построить класс, топологически отличный от не‑кэлеровых многообразий, который удовлетворяет уравнениям Строминджера. Если вести построение с нуля, а не путем модифицирования известных многообразий Калаби‑Яу, то получаемые многообразия, по сути, являются не‑кэлеровыми. Они состоят из поверхностей K3 (четырехмерные многообразия Калаби‑Яу) с двухмерными торами, присоединенными к каждой точке. Решение уравнения Строминджера в этом случае включает решение уравнения Монжа‑Ампера (класс нелинейных дифференциальных уравнений, который мы обсуждали в пятой главе), которое сложнее, чем то, которое мне пришлось решать для доказательства гипотезы Калаби. К счастью, мы с Фу смогли оттолкнуться от наших ранних работ. Наш метод, как и в случае с доказательством гипотезы Калаби, включал априорное оценивание, то есть мы должны были предсказать диапазон значений разных параметров.
Мы с Фу нашли особый метод, позволивший нам решить не одно, а все четыре уравнения. В то время как в случае гипотезы Калаби я смог получить все возможные решения уравнения Монжа‑Ампера, на этот раз мы получили лишь подмножество целого класса решений. К сожалению, мы не достаточно хорошо понимали систему, чтобы определить, насколько большим или маленьким является это подмножество. Но, по крайней мере, мы сделали несколько предварительных шагов.
Большинство физиков, которые начинали работать с не‑кэлеровыми компактификациями, допускают, что уравнения Строминджера можно решить, не беспокоясь о доказательстве этого. Ли, Фу и я показали, что эти уравнения можно решить в отдельных случаях, которые мы пока не определили, но это еще один способ доказать, что специфические многообразия, то есть какая‑то часть всех не‑кэлеровых многообразий, действительно существуют. Это явилось всего лишь отправной точкой для решения более существенной задачи: нахождение метрики, удовлетворяющей системе Строминджера и всем ее уравнениям. Несмотря на то что пока никто и близко не подошел к решению этой проблемы и все признаки указывают на то, что проблема дастся физикам нелегко, мы с коллегами нашим небольшим вкладом, по крайней мере, подняли вопрос о его возможности.
Бекер утверждает, что, если все удастся, то это будет важнее, чем доказательство гипотезы Калаби. Может быть, она права, но об этом рано говорить. Пока я не доказал гипотезу Калаби, я не понимал ее полной значимости. И даже после ее доказательства физики еще восемь лет не осознавали его важности и значения сопутствующей теоремы. Но я продолжал изучать пространства Калаби‑Яу, потому что для меня они выглядели привлекательно. Пространства, описываемые системой Строминджера, также имеют определенный шарм. Сейчас мы уже увидели, что дело пошло.
Тем временем мы с Фу предложили многообразия, которые мы создали для наших друзей‑физиков, сотрудничая с Мелани Бекер, Катрин Бекер, Ценгом и, можно сказать, даже со Строминджером, если причислить его к нашим единомышленникам. Затем наша группа построила еще больше примеров исходной модели Фу‑Яу. В отличие от гетеротической компактификации теории струн, описанной в последней главе, наша команда не смогла получить правильные характеристики частиц или три поколения частиц из Стандартной модели. «Что мы имеем, – говорит Мелани Бекер, – так это стабилизованные модули, что является необходимым предварительным условием ко всему, а также реальным способом вычисления масс».[202]
На данном этапе трудно сказать, что получится из усилий физиков, играющих с не‑кэлеровыми компактификациями и многими другими альтернативами многообразий Калаби‑Яу (в том числе в области под названием не‑геометрические компактификации), исследование которых ведется в настоящее время. Справедливости ради стоит поставить вопрос: действительно ли компактификации Калаби‑Яу являются верным описанием нашей Вселенной или только простейшей моделью, из которой мы черпаем знания, – фантастический эксперимент, дающий возможность узнать, как работает теория струн и как мы можем объединить суперсимметрию, силы и прочее в «окончательной» теории.
В конце концов, это исследование может привести нас к совершенно иному виду геометрии.
А сейчас мы просто пытаемся изучить некоторые из многих возможностей, лежащих перед нами на ландшафте теории струн. Но даже среди всех этих возможностей мы пока живем только в одной Вселенной, и эту Вселенную все еще можно описать геометрией Калаби‑Яу. Я лично думаю, что многообразия Калаби‑Яу являются самой элегантной конструкцией, построенной до настоящего времени, из всех вакуумных состояний теории струн. Но если наука приведет нас к какому‑либо другому виду геометрии, я охотно последую за ней.
«За последние двадцать лет мы обнаружили много решений теории струн, включая не‑кэлеровы, – говорит Джо Полчински. – Но самые первые и самые простые решения – многообразия Калаби‑Яу, – похоже, ближе всего к природе».[203]
Я склонен согласиться с ним, хотя многие первоклассные ученые думают по‑другому. Мелани Бекер, например, является чемпионом по не‑кэлеровому подходу. Строминджер, который внес основной вклад как в область Калаби‑Яу, так и в область не‑кэлеровых многообразий, не считает, что пространства Калаби‑Яу когда‑то устареют. «Но мы хотим использовать все, с чем мы сталкиваемся, как трамплин для прыжка на следующий уровень понимания, – говорит он, – и многообразия Калаби‑Яу стали нашими подспорьем во многих направлениях».[204]
Надеемся, что вскоре мы будем лучше понимать, куда они нас могут привести. Несмотря на свою привязанность к многообразиям Калаби‑Яу, любовь к которым не стала меньше за прошедшие тридцать с лишним лет, я пытаюсь сохранить восприимчивый ум, присоединяясь к сентенции Марка Гросса: «Мы просто хотим знать ответ».
Если окажется, что не‑кэлеровы многообразия имеют большее значение для теории струн, чем многообразия Калаби‑Яу, я соглашусь с этим, поскольку эти менее изученные многообразия обладают своеобразным очарованием сами по себе. И я ожидаю, что в процессе дальнейших напряженных исследований я оценю их еще больше.
Физик Пенсильванского университета Бёрт Оврут, пытающийся реализовать Стандартную модель через компактификации Калаби‑Яу, сказал, что он не готов сделать радикальный шаг к не‑кэлеровым многообразиям, для работы с которыми нам пока не хватает математических знаний: «Это повлечет за собой гигантский прыжок в неизведанное, но пока мы не понимаем, что эти альтернативные конфигурации представляют собой на самом деле».[205] Несмотря на то что я согласен с заявлением Оврута, я всегда готов к решению новых задач, и меня не беспокоит погружение в неведомые воды. Но так как нам часто советуют не пускаться в плавание одному, я не прочь втянуть в него нескольких своих коллег.
Одиннадцатая главаРаспускающаяся Вселенная
(Все, что вы хотели знать о конце света, но боялись спросить)
Человек приходит в лабораторию, где его встречают два физика: женщина – старший научный сотрудник и ее ассистент – молодой мужчина, который показывает гостю множество исследовательских приборов, занимающих все помещение: вакуумную камеру из нержавеющей стали, герметичные емкости с хладагентом – азотом или гелием, компьютер, различные измерительные приборы, осциллоскопы и т. п. Человеку вручают пульт управления и говорят, что в его руках сейчас находится судьба эксперимента, а возможно, и судьба всей Вселенной. Если молодой ученый все сделает правильно, то прибор получит энергию из квантованного вакуума, сделав человечеству необыкновенно щедрый подарок – так называемую «энергию созидания в наших руках». Но если молодой ученый ошибется, предупреждает его умудренный опытом коллега, то прибор может запустить фазовый переход, в результате чего вакуум пустого пространства распадется до более низкого энергетического состояния, высвободив всю энергию сразу. Женщина‑физик говорит, что «это будет не только конец Земли, но и конец всей Вселенной». Человек с волнением сжимает пульт управления, его ладони вспотели. Остаются считанные секунды до наступления момента истины. «Лучше бы тебе решить быстро», – говорят ему.
Хотя это и научная фантастика – отрывок из рассказа «Вакуумные состояния» Джефри Лэндиса, но возможность распада вакуума не является полной фантазией.[206] Этот вопрос исследовался в течение ряда десятилетий, что видно по публикациям в более серьезных научных журналах, чем Asimov's Science Fiction, а именно в Nature, Physical Review Letters, Nuclear Physics Bи т. д., таких ученых, как Сидни Коулман, Мартин Рис, Майкл Тёрнер и Фрэнк Вилчек. В настоящее время многие физики, и, вероятно, большинство интересующихся аналогичными вопросами полагают, что вакуумное состояние нашей Вселенной, то есть пустое пространство, лишенное всякого вещества, за исключением частиц, хаотически движущихся в результате квантовых флуктуаций, является скорее метастабильным, нежели стабильным. Если эти теоретики правы, то вакуум, в конечном счете, распадется, что будет иметь для мира самые разрушительные последствия (по крайней мере с нашей точки зрения), хотя эти неприятности могут и не наблюдаться до тех пор, пока не исчезнет Солнце, не испарятся черные дыры, не распадутся протоны.
Хотя никто не знает, что случится в долгосрочной перспективе, но похоже, с одним многие согласны, по крайней мере в некоторых научных кругах: текущее устройство мира не является неизменным, и в конце концов произойдет распад вакуума. Опровержения обычно звучат следующим образом: хотя многие исследователи считают, что полностью стабильное вакуумное энергетическое состояние или космологическая постоянная не согласуются с теорией струн, не следует забывать, что сама теория струн, в отличие от описывающих ее математических утверждений, пока не доказана. Более того, я должен напомнить читателям, что я математик, а не физик, а мы затронули области, которые выходят за пределы моей компетенции. Вопрос о том, что может произойти в конце концов с шестью компактными измерениями из теории струн должны ставить физики, а не математики. Поскольку гибель этих шести измерений может быть связана с гибелью части нашей Вселенной, исследования такого рода обязательно включают неопределенный, даже недостоверный эксперимент, так как, к счастью, мы еще не провели решающий эксперимент, касающийся конца нашей Вселенной. И у нас нет возможностей, кроме богатого воображения, как у Лэндиса, чтобы поставить его.
Помня об этом, по возможности отнеситесь к этой дискуссии со здоровым скепсисом, используя выбранный мною подход, – как к фантастическим скачкам в стране вероятности. Появится шанс выяснить, что физики думают о том, что может произойти с шестью скрытыми измерениями, о которых ведется так много споров. У нас пока нет никаких доказательств, и мы даже не знаем, как это можно проверить, но я предоставлю вам возможность увидеть, как далеко может завести фантазия и компетентные спекуляции.
Представьте, что ученый в рассказе Лэндиса нажал на кнопку пульта управления, внезапно инициировав цепь событий, которые привели бы к распаду вакуума. Что бы произошло тогда? А вот этого никто не знает. Но независимо от результата – придется ли нам пройти через огонь или через лед (почти по Роберту Фросту, который писал: «Одни твердят, что сгинет мир в огне, другие – что во льду…») – наш мир, безусловно, должен измениться до неузнаваемости. Как написал Эндрю Фрей (университет Макджилла) с коллегами в одном из номеров «Physical Review D» в2003 году: «один из видов распада [вакуума], рассмотренный в этой статье, в полном смысле будет означать конец Вселенной для любого, кто будет иметь несчастье стать свидетелем этого».[207] В этом плане существуют два сценария. Оба связаны с радикальными изменениями статус‑кво, хотя первый сценарий более суровый, поскольку влечет за собой конец пространства‑времени в том виде, в котором оно нам известно.
Давайте вспомним рисунок из десятой главы, где изображен небольшой мяч, катящийся по слегка искривленной поверхности, на которой высота каждой точки соответствует различным уровням энергии вакуума. В данный момент наш шар находится в полустабильном состоянии, которое называется потенциальной ямой– по аналогии с небольшим углублением или ямой на каком‑нибудь холмистом ландшафте. Предположим, что дно этой ямы находится выше уровня моря, или, другими словами, – значение энергии вакуума остается положительным. Если этот ландшафт является классическим, то шар будет находиться в этой яме бесконечно. Другими словами, его «место отдыха» станет его «местом последнего успокоения». Но ландшафт не является классическим. Это ландшафт квантовой механики, а в этом случае могут происходить интересные вещи: если мяч чрезвычайно мал и поэтому подчиняется законам квантовой механики, то он может в буквальном смысле пробуравить стенку ямы, чтобы достичь внешнего мира, – что является результатом совершенно реального явления, известного как квантовое туннелирование. Оно возможно благодаря фундаментальной неопределенности, одному из понятий квантовой механики. Согласно принципу неопределенности, сформулированному Вернером Гейзенбергом, местоположение вопреки мантре риелторов – это не только вещь, и это даже не абсолютная вещь. И если существует наибольшая вероятность обнаружить частицу в одном каком‑то месте, то существует также и вероятность найти ее в других местах. А если такая вероятность существует, утверждает теория, то, в конце концов, это событие произойдет при условии достаточно длительного ожидания. Этот принцип верен для мячей любых размеров, хотя для большого мяча вероятность обнаружить его в другом месте значительно меньше, чем для маленького.
Как ни странно, эффекты квантового туннелирования можно наблюдать в реальном мире. Это хорошо исследованное явление лежит в основе работы сканирующих туннельных микроскопов, когда электроны проходят через, казалось бы, непроходимые барьеры. По аналогичной причине производители чипов не могут сделать их слишком тонкими, иначе работе чипов будет мешать утечка электронов в результате туннельных эффектов.
Идея о частицах, например электроне, метафорически или реально туннелирующем через стену, – это одно, а как насчет пространства‑времени в целом? Понятие туннелирования вакуума при переходе из одного энергетического состояния в другое является, по общему признанию, сложным для понимания, хотя эта теория была хорошо разработана еще Коулманом с коллегами в 1970‑е годы.[208] В этом случае барьером является не стена, а некий вид энергетического поля, который не дает вакууму перейти к состоянию с меньшей энергией, более стабильному, а следовательно, более предпочтительному. Изменение в этом случае происходит за счет фазового перехода аналогично тому, как жидкая вода превращается в лед или пар, но при этом изменяется большая часть Вселенной, возможно, даже та ее часть, где обитаем мы.
Это подводит нас к кульминационному моменту первого сценария, при котором нынешнее состояние вакуума туннелирует из состояния с небольшой положительной энергией (фактически то, что сегодня называется темной энергией или космологической константой) в состояние с отрицательной энергией. В результате энергия, которая в настоящее время заставляет нашу Вселенную ускоренно расширяться, сожмет ее в точку, что приведет к катастрофическому событию, известному под названием Большое сжатие. При такой космической сингулярности как плотность энергии, так и кривизна Вселенной станут бесконечными, что равносильно тому, как если бы мы неожиданно попали в центр черной дыры или если бы Вселенная вернулась к состоянию Большого взрыва.
События, которые могут последовать за Большим сжатием, можно описать двумя словами: «ставки сделаны!» «Мы не знаем, что случится с пространством‑временем, не говоря уже о том, что случится с дополнительными измерениями», – отмечает физик Стив Гиддингс из Калифорнийского университета в Санта‑Барбаре.[209] Это лежит за пределами нашего опыта и понимания почти во всех отношениях.
Квантовое туннелирование является не единственным способом инициировать изменение состояния вакуума: это можно сделать с помощью так называемых тепловых флуктуаций. Давайте вернемся снова к нашему крошечному мячу на дне потенциальной ямы. Чем выше температура, тем быстрее движутся атомы, молекулы и другие элементарные частицы. А если частицы движутся, некоторые из них случайно могут врезаться в мяч, толкая его в ту или иную сторону. В среднем эти столкновения уравновешиваются, и мяч остается в относительно стабильном положении. Но предположим, что при статистически благоприятной ситуации несколько атомов врезаются в мяч последовательно, причем в одном и том же направлении. В результате одновременного действия нескольких таких столкновений мяч может быть вытолкнут из ямы. Он покатится по наклонной поверхности и, возможно, будет катиться до тех пор, пока его энергия не станет равной нулю, если, конечно, при движении он не окажется в другой яме или углублении.
В качестве более удачной аналогии можно привести испарение, считает физик Мэтью Клебан из Нью‑Йоркского университета: «Невооруженным глазом невозможно увидеть, как вода испаряется из чашки, – объясняет он. – Но молекулы воды постоянно сталкиваются, особенно если вода нагревается, а иногда они сталкиваются с такой силой, что выплескиваются из чашки. Это похоже на то, что происходит в тепловом процессе».[210]
Однако существуют два важных различия. Одно из них заключается в том, что обсуждаемые здесь процессы происходят в вакууме, а это традиционно означает отсутствие материи, а следовательно, и частиц. Что же тогда сталкивается? Во‑первых, температура никогда не достигает нуля (фактически, это оказалось одним из свойств расширяющейся Вселенной), а во‑вторых, пространство никогда не бывает полностью пустым, поскольку пары виртуальных частиц – частица и античастица – непрерывно возникают и исчезают в результате аннигиляции в такой короткий промежуток времени, что мы никак не можем поймать их с поличным. Другое отличие заключается в том, что этот процесс виртуального рождения и уничтожения является квантовым, поэтому, говоря о тепловых флуктуациях, необходимо не забывать о квантовом вкладе.
