Три разные модели компактификации. То, что выглядит для макроскопического наблюдателя точкой, при ближайшем рассмотрении оказывается пространством большего числа измерений. Слева направо: тор (поверхность бублика), сфера (поверхность мячика), деформированное пространство между двумя бранами. Реальные компактификации будут включать большее количество дополнительных измерений, но это трудно изобразить на рисунке.

Идея «компактификации» дополнительных измерений, с помощью которой теоретики пытаются связать теорию струн с наблюдаемыми явлениями, стала важной частью этой теории. Для создания различных ее версий на фундаментальном уровне существует очень мало свободных параметров. Как было показано в 1980 году, на самом деле есть только пять струнных теорий, в каждой из них вводится десять измерений пространства-времени, и когда шесть из них мы скрываем, то обнаруживаем, что компактификацию можно выполнить многими различными способами. Хотя непосредственное изучение компактного многообразия требует очень высоких энергий (предположительно порядка планковской энергии квантовой гравитации – 10¹⁸ ГэВ), способ конкретной компактификации непосредственно влияет на физические процессы, которые мы наблюдаем и при низких энергиях. Под «характеристиками компактификации» мы имеем в виду ее объем, форму, и топологию. Компактификация на тор (поверхность бублика) будет сильно отличаться от компактификации на сферу (поверхность шара). А под «физическими процессами, которые мы наблюдаем при низких энергиях», мы понимаем разнообразие существующих фермионов и сил, а также конкретные значения различных масс и взаимодействий.

Таким образом, в то время как сама теория струн очень интересна, сравнение ее с экспериментами оказалось делом крайне сложным. Не зная того, как дополнительные размерности компактифицированы, из теории струн невозможно сделать определенные выводы о том, что мы должны наблюдать. Это довольно общая проблема, а не только проблема теории струн, возникающая при любой попытке применить квантовую механику к гравитации: прямые экспериментальные исследования требуют энергий масштаба планковской, а ни один физически осуществимый ускоритель частиц не способен достичь этих значений. Неправильно было бы говорить, что мы никогда не получим данные, которые помогут нам в проверке моделей квантовой гравитации, но эта проверка определенно потребует не грубой силы, а тонкого инструментария.

В 1990-е годы произошло два события, радикально изменившие способ, которым люди пытались связать теорию струн с реальностью. Первым было открытие Джозефом Полчински: оказалось, теория струн не ограничивается только теорией одномерных струн, есть и многомерные объекты, они-то и играют решающую роль.

Двумерная поверхность называется «мембрана», но теоретики, занимающиеся теорией струн (струнные теоретики), должны уметь описывать и трехмерные, и многомерные объекты, и они придумали терминологию обозначения многомерных объектов – «2-брана», «3-брана» и так далее. Частица – это нулевая брана, а струна – 1-брана. Используя эти многомерные браны, струнные теоретики показали, что их теория еще более уникальна, чем они думали: все пять десятимерных теорий суперструн, как и 11-мерная теории «супергравитации», в которой вообще нет струн, – просто разные версии одной базовой «М-теории». (И по сей день никто не знает, что обозначает «М» в названии «М-теория».)

Плохая новость заключается в том, что это многообразие бран натолкнуло струнных теоретиков на мысль о том, что существует еще больше способов для компактифакции дополнительных измерений. Отчасти это было вызвано попытками найти компактификации, при которых энергия вакуума оказалась бы положительной. Большую роль тут сыграло и открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной. Это один из тех редких случаев, когда продвижение в теории струн было спровоцировано экспериментальным результатом. Лиза Рэндалл и Раман Сундрум использовали теорию бран и создали совершенно новый вид компактификации, в которой пространство между двумя бранами «деформируется». Их работа привела к появлению большого разнообразия новых подходов в физике элементарных частиц, в том числе к новым способам решения проблемы иерархии.

Этот результат, к сожалению, вероятнее всего похоронил последние надежды на то, что, найдя «правильную» компактификацию, можно каким-то образом связать теорию струн со Стандартной моделью. Количество компактификаций, о которых мы говорим, трудно оценить, хотя предполагаемый ответ крутится вокруг цифры цифра 10⁵⁰⁰. Это большое число, особенно когда перед нами стоит задача найти среди них одну-единственную компактификацию, согласующуюся со Стандартной моделью.

Чтобы устранить это препятствие, некоторые сторонники теории струн использовали другой подход: вместо того, чтобы искать одну истинную компактификацию, они допускают, что разные части пространства-времени имеют различные компактификации, и каждая компактификация где-то реализуется. Поскольку компактификации определяют частицы и силы, существующие при низких энергиях, из этого следует, что в разных областях пространства должны работать различные законы физики. И тогда мы можем назвать каждую такую часть отдельной «вселенной», а все их множество – «множественной вселенной».

На первый взгляд, при таком подходе любые попытки сделать проверяемые предсказания в принципе невозможны. Однако сторонники концепции множественной вселенной утверждают, что надежда еще не потеряна. Во многих частях множественной вселенной, мультивселенной, – утверждают они – условия совершенно не подходят для разумной жизни, и она не может возникнуть либо потому, что нет соответствующие сил, либо потому, что энергия вакуума настолько велика, что из-за быстрого расширения этой вселенной отдельные атомы разорвутся на части. Проблема в том, что мы не очень хорошо понимаем условия, при которых может появиться жизнь. Однако оптимисты продолжают надеяться на то, что если мы преодолеем такие нашу земную зашоренность, то сможем представить, что в действительности типичные наблюдатели в множественной вселенной должны были бы наблюдать. Другими словами, даже если мы не видим другие «вселенные» непосредственно, мы могли бы использовать идею множественной вселенной, чтобы делать проверяемые предсказания. Один из основных принципов космологии – «антропный принцип»[15] – говорит о том, что на нас действует сильный эффект отбора, ограничивающий условия, которые мы можем наблюдать, только теми, которые соответствуют нашему существованию.

Это амбициозная гипотеза, и, возможно, проверить ее не удастся. Но ученые пытаются продвинуться в этом направлении, и, в частности, они применили антропный принцип к определению свойств бозона Хиггса. Это коварная область: еще в 1990 году Михаил Шапошников и Игорь Ткачев, пытаясь предсказать значение массы бозона Хиггса при некоторых антропных предположениях, пришли к выводу, что масса частицы должна быть равна 45 ГэВ. Как мы теперь понимаем, это значение явно не согласуется с экспериментальными данными, так что в тех предположениях что-то было неправильным. В 2006 году другая группа уже при других предположениях предсказала значение 106 ГэВ, что ближе к правильному значению, но все еще далеко. Теперь, когда нашли бозон Хиггса при 125 ГэВ, маловероятно, что многие другие прогнозы, в которых по той или иной причине не удавалось получить это значение, будут опубликованы.

Ради справедливости мы должны упомянуть самый впечатляющий успех антропного принципа – предсказание величины энергии вакуума. В 1987 году – более чем за десять лет до открытия ускорения Вселенной – Стивен Вайнберг заметил, что очень высокая (или большая и отрицательная) энергия вакуума будет мешать образованию галактик. Таким образом, большинство наблюдателей в мультивселенной должно увидеть небольшое, но отличное от нуля значение энергии вакуума. (Ноль допускается, но ненулевых чисел больше чем чисел, равных нулю.) Значение, которое мы видим (или думаем, что видим), вполне согласуется с предсказанием Вайнберга. Конечно, Вайнберг неявно представлял такую мультивселенную, в которой только значение энергии вакуума меняется от места к месту, а если мы позволим и другим параметрам изменяться, согласие становится гораздо менее впечатляющим.