Чтобы понять, что побудило Лизу Рэндалл творчески подойти к гравитации, вернемся к запутанной проблеме сингулярностей. Согласно общей теории относительности, каждая черная дыра содержит сингулярность, где искривление пространственно-временного континуума бесконечно
[378]. Оказавшись внутри черной дыры, уравнения Эйнштейна «садятся в лужу» и предсказывают нечто бессмысленное с точки зрения физики. Стивен Хокинг доказал, что сингулярности – обязательный элемент черной дыры, и эффектно сформулировал проблему: общая теория относительности содержит зерна собственного разрушения.
Вариант выхода из тупика предлагает теория струн. Она возникла как следствие ряда проблем фундаментальной физики. Одна из проблем – объединение сил природы в одной схеме. «Гладкая» теория искривленного пространственно-временного континуума не согласуется с «зернистой» теорией субатомных частиц. Поиск квантовой гравитации десятилетиями приводил Эйнштейна в замешательство. Кроме того, успешная в целом Стандартная модель физики частиц имеет недостаток. У электронов в этой модели – нулевой размер, следовательно, они должны иметь бесконечную плотность вещества и бесконечную плотность заряда – еще один пример сингулярностей, словно нарушающих законы физики. Мы пока не можем объяснить, почему существует так много элементарных частиц с разными массами, материя преобладает над антиматерией, а темная материя и темная энергия являются двумя главными составляющими Вселенной
[379].
Рэндалл знала, что теория струн в ходе исследований 1990-х гг. привела к открытию многообразия бран. Брана – сокращение от «мембрана» – это тело меньшей размерности в многомерном пространстве. Представьте лист бумаги, являющийся двумерным объектом в трехмерном пространстве. Муравьи, ползающие по листу бумаги, могут перемещаться только в двух измерениях: они не подозревают о третьем. Возможно даже существование другого листа бумаги, по которому ползают муравьи, не знающие о параллельной «вселенной» рядом с ними в третьем измерении. Подобным образом наша Вселенная может быть браной, трехмерным островом в океане пространства большей размерности. К бране привязаны частицы, но не гравитация, поскольку, согласно общей теории относительности, гравитация должна существовать в полной геометрии пространства. Рэндалл увидела в этом возможность объяснения удивительной слабости гравитации.
Несколько лет Рэндалл отвергала концепцию дополнительных измерений, но участвовала в мозговых штурмах на тему бран в МТИ вместе с Раманом Сандрумом из Бостонского университета. Разработанный ими математический аппарат описывал пару вселенных, четырехмерные браны, слабо разделенные пятимерным пространством. Ученые обнаружили, что пространство между бранами деформировано, причем деформация может увеличивать и уменьшать тела или силы между бранами. Следовательно, гравитация может быть такой же сильной, как и другие силы одной браны, но если мы находимся в другой бране, то ощущаем гравитацию как чрезвычайно слабую (илл. 63). Затем Рэндалл и Сандрума ошеломила догадка: пятое измерение может быть бесконечным, и мы об этом не догадаемся. До этого момента физики принимали устоявшуюся точку зрения теории струн: считалось, что дополнительные измерения скручены так туго, что никакой эксперимент не позволит провести испытания. В теории Рэндалл и Сандрума они могут наблюдаться в экспериментах на ускорителях частиц
[380].
Этот труд сделал их суперзвездами. Сандрум получил семь предложений работы. Результат превзошел все ожидания, особенно если вспомнить, какую тревогу вызывали у него эти идеи: «Это была умопомрачительная работа. У нас были причины для ужасных волнений. Всякий раз был отчетливый страх выставить себя полными дураками». Рэндалл стала первым «пожизненным» профессором теоретической физики в долгой истории Гарвардского университета, начала писать книги для массового читателя
[381]. Несколько больше хлопот доставляют регулярные приглашения выступить на тему женщин в науке. «Мне нравится решать простые проблемы, например, дополнительные измерения пространства, – невесело шутит она. – Все считают простой тему “женщины в науке”, но она намного сложнее»
[382].
Браны имеют непосредственное отношение к черным дырам. Как мы увидели в главе 1, Стромингер и Вафа с помощью теории струн воспроизвели энтропию и излучение черных дыр, выведенные Стивеном Хокингом из классической физики. Обернув браны вокруг тесно скрученных областей пространственно-временного континуума, теоретики доказали, что могут вычислить массу и электрический заряд внутренней зоны черной дыры. Тот факт, что чистая математика, разработанная совершенно с другой целью, может использоваться для расчетов свойств «реальных объектов» – таких как черные дыры, был расценен как триумф теории струн.
Возможно, мы живем в трехмерном пузыре, плавающем в море мембран с пятью, шестью, семью или более измерениями
[383]. Все это многообразие сведено в одно целое, которое называется мультивселенной. Она отличается от мультивселенной, описанной в конце последней главы и основанной на других пространственно-временных континуумах, которые могут следовать из квантовых вакуумных состояний, сосуществующих с Большим взрывом. Мультивселенная теории струн – это комплекс неведомых многомерных пространств, сосуществующих со Вселенной, в которой мы живем.
Более высокие измерения пока не были зарегистрированы ни в лабораторных экспериментах, ни на ускорителях частиц, и многие физики считают браны, как и струны, лишь хитроумными математическими построениями, мало связанными с реальностью. В некоторых кругах здоровый скептицизм превратился в резкое отторжение. Однако Рэндалл не теряет надежды. Гуру гравитации продолжает свою работу в неизведанных областях высшей математики. Пусть последнее слово останется не за физиком, а за лириком Э. Э. Каммингсом: «Слушайте, здесь по соседству есть чертовски хорошая вселенная, пойдемте!»
[384]
