Теория струн — это гибкий конструктор, из которого можно собрать очень много других теорий. Но это понимание пришло не сразу. Изначально предполагалось, что теория струн станет кандидатом на описание фундаментальных взаимодействий. И поскольку теория струн не имеет свободного параметра, предполагалось, что она даст ответ на вопрос, почему наш мир устроен именно так, как он устроен. Отсутствие свободного параметра должно предполагать, что наш мир уникален. И мы на кончике пера должны были предсказать физические свойства нашего мира: почему мы наблюдаем электроны и другие элементарные частицы, почему электроны имеют определенную массу и так далее.

Эти надежды в каком-то смысле основаны на предположении, гипотезе или даже философской концепции, что мы живем в каком-то определенном элегантном, математически красивом мире и он уникален. То есть существует единственная уникальная математически согласованная физическая теория, которая описывает окружающий мир. В этом смысле идея похожа на средневековую идею о том, что Земля находится в центре мироздания, что мы живем в каком-то очень определенном месте и наша роль в этом мире весьма специальна.

Но потом возникло понимание, что теория струн очень гибкая, хотя она и не имеет свободных параметров. Она как конструктор, из которого можно сделать много других теорий. И получается, что вместо предсказаний о физических свойствах нашего мира мы можем предсказать, что существует целый набор гипотетических миров, и количество других вселенных с другими физическими свойствами оказывается огромным. По некоторым оценкам, количество других возможных физических теорий составляет порядка 10⁵⁰⁰. Это число, которое очень тяжело себе представить. Грубо говоря, если у вас есть такое количество вариантов, то найти единственный наш вариант среди них невозможно. Это как искать иголку в стоге сена, только стог сена слишком большой, а иголка слишком маленькая.

Когда пришло осознание того, что теория струн не предсказывает единственный мир, но предсказывает огромное количество гипотетических физических миров, это было похоже на революцию Коперника. Если раньше предполагалось, что Земля находится в центре мироздания и это абсолютно уникальный объект, вокруг которого вращаются небесные сферы, Солнце и Луна, то теперь выясняется, что Земля ничем не выделена и не является центром мироздания, а вращается вокруг Солнца. И Солнце на самом деле ничем не выделено — это одна из многих звезд, которая находится на периферии нашей Галактики. А наша Галактика находится в каком-то случайном месте в нашей наблюдаемой Вселенной. И происходит не только научная, но и философская революция в понимании, что наш мир ничем не выделен. Это не какой-то очень специальный физический мир, а лишь один из многих физических возможных миров.

В рамках такого подхода, с одной стороны, теория струн теряет предсказательную силу. А с другой стороны, вопрос о том, что теория струн должна что-то предсказывать, уже не стоит. Если вы не предполагаете, что окружающий физический мир в чем-то специален или чем-то выделен, тогда бессмыслен вопрос о том, чтобы предсказать его свойства. Единственный философски правильный подход в данном случае — пытаться экспериментально измерить свойства нашего мира. Провести эксперимент, обнаружить, что есть элементарные частицы определенного вида — электроны, может быть, кварки. Провести все эксперименты, которые мы проводили и проводим, определить, какие элементарные частицы есть, построить теорию того, что мы наблюдаем. Но это будет одна из многих возможных теорий.

Многим ученым этот переход от надежды создать единую теорию, которая предскажет все, к ситуации, когда у нас есть теория, но она не предсказывает ничего, показался неправильным. Мне сложно сказать, какая точка зрения правильная, потому что сейчас непонятно, является ли данный вопрос научным или философским. Вы можете спорить с Коперником и говорить, что, несмотря на то что Земля не является центром мироздания с точки зрения расположения, она все равно является центром мироздания с точки зрения того, что мы живем на этой Земле.

Точно такой же принцип, построенный на центральности человека, применяется и в рамках теории струн. Если вы соглашаетесь с тем, что наш мир ни в чем не уникален и, грубо говоря, мы не являемся центром мироздания ни в прямом, ни в переносном смысле, то тогда никаких вопросов и претензий к теории струн, почему она не предсказывает наш мир, быть не может. Но вы по-прежнему можете задаваться вопросом, почему мы наблюдаем мир именно таким. Здесь есть небольшая лингвистическая разница. Первый раз я сформулировал этот вопрос безлично: «Почему наш мир такой, каков он есть?» Этот вопрос в каком-то смысле объективен. Он не привязан к наблюдателю. И на этот вопрос мы не надеемся получить ответ в скором времени.

Но можно сформулировать тот же самый вопрос чуть-чуть по-другому: «Почему мы наблюдаем мир таким, каков он есть?» И в этом случае мы уже говорим о том, что мы наблюдаем этот мир. Мы — это люди. Это уже очень конкретно. И тогда вы можете начинать думать про это, исходя из того, что мы — это вполне определенная форма разумной жизни. И это накладывает большие ограничения на то, какой мир мы можем наблюдать.

Такой подход, основанный на том, что вы предполагаете наличие человека или наличие форм разумной жизни, похожей на человека, называется антропным принципом. Вы постулируете, что задаете вопрос не объективно, а субъективно, исходя из того, кто мы такие. Мы не пытаемся понять, почему мы выглядим именно так, как выглядим, но мы понимаем, что для развития жизни на Земле должны были сложиться благоприятные условия. И если вы хотите ответить на вопрос, почему мы наблюдаем мир таким, какой он есть, фактически вы пытаетесь ответить на вопрос, каким образом наличие благоприятных условий для развития жизни на Земле накладывает ограничение на физическую картину мира вокруг нас.

В частности, вы можете сказать следующее: теория струн предсказывает наличие дополнительных размерностей, она может описать мир и трех размерностей, как наш, и четырех и так далее, вплоть до десяти, а в некоторых случаях и двадцати пяти, но почему же наш мир трехмерен? Какой ответ на этот вопрос? Если вы отталкиваетесь от антропного принципа, если вы предполагаете наличие человека, то тогда ответ на этот вопрос есть, потому что мы все состоим из атомов, а атомы требуют периодичности вращения электронов вокруг ядер. А периодическое вращение электронов вокруг ядер существует только в трехмерном пространстве. То есть, отталкиваясь от существования человека, вы сразу отвечаете на несколько сложных вопросов.

Мы не знаем, позволяет ли антропный принцип сузить многообразие возможных физических миров с абсолютно фантастического числа 10₅₀₀ до единственно возможного. Мы не обладаем полнотой знаний о теории струн, чтобы ответить на этот вопрос. Но те ученые, которые считают, что антропный принцип можно применить, надеются, что он даст некую предсказательную силу. То есть в рамках того, что мы постулируем или предполагаем возникновение разумной жизни, похожей на нашу, мы сможем ответить на вопрос, почему свойства окружающего мира именно такие, какие они есть. И как я уже сказал, на некоторые вопросы отвечать очень просто.

Но есть другой важный вопрос, на который у нас нет сейчас ответа: почему космологическая константа очень маленькая? Космологическая константа — это член в уравнении Эйнштейна, который определяет концентрацию так называемой черной энергии (темной энергии) во Вселенной. И оказывается, что темная энергия во Вселенной присутствует, но ее очень мало. И мы не понимаем: если ее мало и она ни на что не влияет, почему она присутствует? Этот вопрос называется проблемой космологической постоянной. И одна из надежд заключается в том, что если мы постулируем существование человека или существование разумных форм жизни, похожей на нашу, то нам удастся вывести необходимость малости концентрации темной энергии как условие существования разумной жизни. В этом смысле, постулируя наличие человека, мы сможем объяснить, почему темной энергии должно быть так мало.

Значение космологической постоянной, которое мы знаем сегодня, было получено в результате эксперимента. Это не результат теоретической работы. В рамках экспериментальных наблюдений мы выяснили, как быстро расширяется наша Вселенная. Были измерения, показавшие, сколько в нашей Вселенной наблюдаемой материи, которая светится, сколько темной материи, которая не светится. И после этого был учтен баланс, сколько необходимо иметь материи и энергии в одной части уравнения Эйнштейна, чтобы объяснить расширение Вселенной так, как мы его наблюдаем. И было выяснено, что есть некий дисбаланс. Этот дисбаланс был проинтерпретирован как наличие темной энергии. И в каком-то смысле это бухгалтерская разница между тем, что наблюдается с точки зрения расширения Вселенной, и тем, что наблюдается с точки зрения наличия массы во Вселенной. Это абсолютно эмпирическое число, которое пришло из эксперимента. Никакого теоретического обоснования у этого числа нет.

У нас отсутствует какое-либо строгое доказательство, но гипотетически может сработать следующая схема. Если вы предполагаете, что концентрация темной энергии очень большая, то окажется, что наш мир будет развиваться по другому сценарию, а именно: расширение Вселенной может закончиться коллапсом и космологической сингулярностью. Причем это может произойти достаточно скоро. И если вы сможете объяснить, например, исходя из законов эволюции, что для возникновения разумной жизни необходим достаточно большой промежуток времени, например 5 миллиардов лет, то тогда вы ограничите возможную концентрацию темной энергии. Получите оценку сверху: темной энергии не может быть больше, чем определенная величина, потому что если темной энергии было бы больше, чем определенная концентрация, тогда время жизни нашей Вселенной было бы недостаточно для развития разумной жизни.

Сейчас это скорее некая схема, по которой можно двигаться. Как вы видите, у нас слишком много неизвестных параметров. На уровне сегодняшнего понимания мы можем изменить концентрацию темной энергии в 2–3 раза, и по-прежнему, казалось бы, наш мир существенным образом не поменяется. То есть он, конечно, поменяется с точки зрения астрономических наблюдений, но мы не можем каким-то однозначным образом связать гипотетические изменения с невозможностью существования разумной жизни в той гипотетической Вселенной, в которой темной энергии, например, в 5 раз больше.

Анатолий Дымарский, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель Центра энергетических систем Сколковского института науки и технологий.

ПостНаука