В новом выпуске научно-популярного подкаста StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон, комик Чак Найс и физик-теоретик Лара Андерсон обсуждают устройство Вселенной сквозь призму теории струн. В центре дискуссии — давнее противостояние общей теории относительности и квантовой механики, а также попытки ученых примирить эти концепции с помощью скрытых пространственных измерений. Исследователи разбираются, почему фундаментальная физика зашла в математический тупик и как искусственный интеллект помогает найти из него выход.
🌌 Великий раскол физики XX века 2:41
Двумя величайшими интеллектуальными достижениями XX века Лара Андерсон считает общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейна и квантовую теорию поля. ОТО блестяще описывает гравитацию и крупномасштабную структуру Вселенной, обеспечивая, например, точную работу современных GPS-систем. Квантовая теория поля, в свою очередь, детально объясняет микромир — поведение фундаментальных «кирпичиков» материи вроде кварков и электронов, а также электромагнитное, сильное и слабое ядерные взаимодействия.
Оба теоретических фреймворка по отдельности демонстрируют колоссальную точность, позволяя делать предсказания вплоть до 13 значащих цифр. Однако при попытке объединить их для описания экстремальных объектов — например, сингулярности внутри черной дыры — математический аппарат полностью разрушается. Вместо адекватных физических прогнозов уравнения выдают то, что физики называют «катастрофическими бесконечностями».
По словам Лары Андерсон, ОТО Эйнштейна по своей природе является классической теорией, оперирующей гладким геометрическим пространством-временем, и она попросту не приспособлена для квантовых неопределенностей, наблюдаемых на микроуровне. Именно поэтому физики ищут способ «квантовать» саму гравитацию, а не пытаются встроить квантовую физику в классическую ОТО.
🎻 Что такое теория струн и откуда берется гравитация 6:51
Теория струн позиционируется как один из главных кандидатов на роль согласованной квантовой теории гравитации. Её ключевой постулат заключается в отказе от концепции точечных элементарных частиц. Андерсон предлагает заменить точки на ультрамикроскопические одномерные объекты, обладающие протяженностью, — фундаментальные струны.
Принцип работы этой модели физик объясняет с помощью аналогии со скрипкой:
- Подобно тому как струна скрипки вибрирует на разных частотах, рождая разные музыкальные ноты, фундаментальная струна колеблется в различных конфигурациях.
- В зависимости от характера и энергии этой вибрации меняются физические свойства объекта: в одном режиме колебаний струна проявляет себя как электрон, в другом — как кварк.
Главная сложность заключается в экспериментальной проверке. Прогнозируемые размеры струн настолько малы, что для их прямой визуализации путем столкновения атомов человечеству потребовался бы ускоритель частиц размером с Солнечную систему. Физика высоких энергий напрямую зависит от масштаба установок: чем больше коллайдер, тем выше скорость и энергия столкновения, что позволяет зондировать более глубокие структуры материи.
Тем не менее у теории струн есть фундаментальное преимущество, которое Андерсон называет «гравитацией в подарок». Если стандартная квантовая теория поля может быть сформулирована в абсолютно любом пространстве, то уравнения квантовой струны накладывают жесткое ограничение: они согласуются только с теми пространствами, которые строго подчиняются уравнениям общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, квантовая гравитация вшита в саму математику струн изначально, её не приходится внедрять туда искусственно.
🌀 Скрытые измерения и пространственная «толщина» 10:43
Главная «плата» за автоматическое появление гравитации в теории струн — требование избыточного количества пространственных измерений. Наш повседневный макромир четырехмерен и состоит из трех пространственных осей и одной временной. Но уравнения струн отказываются работать в такой конфигурации — им нужно гораздо больше измерений.
Чтобы объяснить, как огромные многомерные пространства могут оставаться невидимыми, Лара Андерсон приводит аналогию с тонким проводом:
- Если смотреть на провод с большого расстояния, он кажется строго одномерным объектом, обладающим только длиной.
- Однако если приблизиться к нему вплотную или рассмотреть под микроскопом, обнаруживается дополнительное круговое направление — радиальная толщина провода.
Этот эффект в физике называется компактификацией: дополнительные измерения существуют в каждой точке нашего пространства, но они свернуты до столь малых размеров, что остаются недоступными для прямого наблюдения. Чак Найс иронично отметил, что во время своего недельного опыта с аяуаской в Коста-Рике он встречал сущностей, которые описывали ему точно такую же картину — измерения, существующие «внутри и параллельно» нашему.
На вопрос Нила Деграсса Тайсона о возможности компактификации времени Андерсон отвечает скептически. Модели с двумя и более временными измерениями практически невозможны, так как в них разрушается причинно-следственная связь. Если временное измерение зацикливается и сворачивается в петлю, возникает классический парадокс дедушки. Чтобы сохранить такие теории, физикам пришлось бы полностью отказаться от принципа причинности, что делает подобные сценарии нежизнеспособными. Андерсон напоминает, что Стивен Хокинг в свое время даже сформулировал гипотезу о защите хронологии, согласно которой законы физики сами по себе запрещают путешествия во времени, исключая возникновение парадоксов.
📊 Скептицизм, «свободные числа» и проблема проверки 16:18
Оппоненты теории струн часто обвиняют её сторонников в том, что они тратят колоссальные ресурсы, посты профессоров и потенциал аспирантов на гипотезу, которую невозможно проверить экспериментально, из-за чего она балансирует на грани лженауки.
Защищая свою дисциплину, Андерсон указывает на исторические масштабы развития науки. В физике элементарных частиц разрыв между теоретическим предсказанием и его практическим подтверждением неуклонно растет. Например, предсказанный Питером Хиггсом бозон был обнаружен на Большом адронном коллайдере (БАК) только спустя 50 лет. В случае с теорией струн ситуация еще сложнее, однако Лара Андерсон предлагает альтернативный, более быстрый путь проверки, не требующий строительства гигантских коллайдеров.
Суть метода заключается в устранении так называемых «свободных параметров». Андерсон вспоминает, как в подростковом возрасте она была типичным «гиком» и носила с собой листок с выписанной таблицей Стандартной модели частиц. В этой модели, окончательно сформировавшейся к 1970-м годам, есть множество фундаментальных констант (например, масса электрона или константы связи кварков), которые невозможно рассчитать теоретически — их приходится брать исключительно из экспериментов.
В теории струн все эти числа жестко зафиксированы геометрией скрытых измерений. Если физикам удастся найти конкретное решение уравнений струны, которое в точности воспроизведет наблюдаемые массы частиц и константы связи, а также согласуется с космологическими данными (такими как темная энергия и темная материя), это станет монументальным подтверждением теории без прямых столкновений струн в коллайдере.
🐄 Многомерный ландшафт и «сферические коровы» 22:17
Изначально физики надеялись, что уравнений компактификации будет немного и они сразу укажут на структуру нашей Вселенной. Если решать дифференциальные уравнения для двух или четырех дополнительных измерений, то получается уникальная математическая форма пространства. Однако для шести дополнительных измерений — а именно столько требуется, чтобы получить физику нашего мира — ученые обнаружили уже более полумиллиарда конфигураций, и этот список продолжает расти.
Этот феномен называют «ландшафтом теории струн» (string landscape). Критики утверждают, что в таком огромном супе решений можно случайно найти конфигурацию под любые параметры, что лишает теорию предсказательной силы. Андерсон парирует этот аргумент: в квантовой теории поля тоже можно прописать бесконечное множество математических моделей, не имеющих отношения к реальности, однако физиков интересует лишь та конкретная конфигурация, которая описывает нашу Вселенную.
Пытаясь упростить математические расчеты многомерных пространств, физики часто используют сильные идеализации. В академической среде этот подход называют методом «сферической коровы в вакууме». Андерсон шутит, что у Клуба студентов-физиков в Вирджинском политехническом институте (Virginia Tech) даже есть фирменные футболки с изображением такой сферической коровы.
Пытаясь выйти за рамки этих упрощений, гарвардский физик Камран Вафа сформулировал «гипотезу кобордизма». Он предполагает, что если существуют несколько разных теорий квантовой гравитации, они обязательно должны быть математически связаны между собой, иначе в расчетах квантовых гравитационных эффектов возникнут фатальные противоречия. Соответственно, даже если теория струн окажется лишь идеализированной моделью, она все равно поможет нащупать нити к истинной теории устройства Вселенной.
🪞 Голографический принцип и алгебраическая геометрия 27:29
Специализация Лары Андерсон — феноменология частиц и алгебраическая геометрия. Она исследует, способны ли конкретные конфигурации многомерных пространств породить Стандартную модель. Из огромного массива потенциальных решений ландшафта струн (часто заявляется число порядка $10^{500}$) исторически ни одно не включало в себя точные параметры электрона. Работа Андерсон нацелена на то, чтобы связать геометрию скрытых измерений с характеристиками реального мира.
Даже в отсутствие прямых экспериментальных доказательств, теория струн уже сделала ряд фундаментальных «попутных» открытий в смежных областях:
- Голографический принцип: Математически доказано, что гравитационные явления внутри определенного объема пространства фундаментально связаны с калибровочными квантовыми теориями, развернутыми на границе этого объема. По сути, физика гравитации в многомерном пространстве может быть полностью спроецирована на более плоскую двумерную «границу» без потери информации.
- Информационная емкость черных дыр: Простейшей аналогией голографического принципа выступает горизонт событий черной дыры. Падающий внутрь объект оставляет полный информационный след на ее поверхности, и если наша Вселенная находится внутри гигантской черной дыры, то мы сами являемся лишь голографическими проекциями процессов, происходящих на ее внешней границе.
- Революция в математике: Взаимодействие физиков-струнщиков и геометров привело к созданию совершенно новых областей математики. Ярким примером стала «минимальная модель программ» в геометрии, пытающаяся классифицировать и составить полный каталог всех многомерных комплексных геометрических форм.
Для расчета физических параметров — таких как масса электрона или константы связи кварков — требуется колоссальный объем топологических вычислений. Топология изучает свойства пространств, которые остаются неизменными при непрерывной деформации. Классический пример: резиновый пончик можно плавно смять и растянуть в кофейную чашку с одной ручкой, не разрезая материал, поэтому с точки зрения топологии пончик и чашка эквивалентны, у них одинаковое «топологическое число» — одно отверстие. Но Starbucks-стакан без ручки в этой геометрии уже не сработает.
Восприятие пространства драматически меняется в зависимости от его мерности. Чак Найс привел пример с узлами: в привычном нам трехмерном пространстве веревку можно завязать в узел. Но в четырехмерном пространстве любой узел мгновенно распутывается, если просто «приподнять» один из его участков вдоль четвертой пространственной оси. Напротив, в двухмерном мире узел превращается в абсолютно неразрешимую задачу, так как плоские существа не могут перекинуть один конец веревки над другим. Андерсон резюмирует эту концепцию фразой: «Высшие измерения смотрят на нас свысока».
📱 Айфон против Эйнштейна: как ИИ вычисляет массы кварков 37:42
Главный барьер на пути к финальным расчетам теории струн — природа уравнений Эйнштейна. Это нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных. В нелинейных системах гравитация обладает свойством «самодействия» (обратной реакции): кванты гравитационного поля (гравитоны) сами обладают энергией, а значит, порождают дополнительную гравитацию. Из-за этого в ОТО не работает принцип суперпозиции: нельзя просто взять два известных решения уравнений, сложить их и получить третье — каждый раз приходится начинать расчеты заново.
Для шестимерных скрытых пространств точных аналитических решений (которые можно было бы записать формулой на бумаге) человечество не знает. Исторически ученым приходилось запускать громоздкие численные симуляции на суперкомпьютерных кластерах и ждать результатов месяцами.
Ситуация в корне изменилась благодаря машинному обучению:
- Лара Андерсон и ее соавторы начали применять архитектуры нейросетей для численного решения сложных дифференциальных уравнений Эйнштейна.
- Поскольку готовой базы правильных ответов для обучения ИИ не существует, нейросеть обучается прямо в процессе минимизации ошибок самих уравнений.
- Этот прорыв позволил перенести тяжелейшие вычисления с суперкомпьютеров на обычные рабочие ноутбуки.
Благодаря алгоритмам ИИ физикам впервые в истории удалось рассчитать массы кварков для конкретных конфигураций скрытых измерений в теории струн. Пока это тестовые расчеты для гипотетических вселенных, а не для нашей реальности, но сам вычислительный инструмент наконец-то создан.
Нил Деграсс Тайсон провел историческую параллель, напомнив, как на рубеже XIX и XX веков ученые не могли объяснить аномалию в орбите Меркурия. Физики были уверены, что за ним прячется неоткрытая планета, и даже успели назвать ее Вулканом. Но когда Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, оказалось, что вблизи массивного Солнца законы Ньютона просто дают сбой. ОТО мгновенно и без погрешностей рассчитала орбиту Меркурия, и гипотетический Вулкан «умер за одну ночь». Чак Найс пошутил: «Эйнштейн убил Вулкан, а Тайсон убил Плутон».
🧩 Дуализмы, суперсимметрия и великая сила симметрии 44:17
Физики надеются, что выход за рамки ОТО и квантовой теории поля откроет «новую физику» — например, обнаружит пятое фундаментальное взаимодействие, объяснит природу темной материи или устранит сингулярности в центрах черных дыр. Инструментом для этого может стать концепция дуализма в теории струн, над которой сейчас работает Андерсон.
Дуализм — это ситуация, когда две совершенно разные на первый взгляд математические теории или разные геометрии скрытых измерений скрывают под собой «две стороны одной медали». Андерсон сравнивает это с известной оптической иллюзией: на картинке можно увидеть либо вазу, либо два профиля лиц в зависимости от фокусировки, но само изображение является и тем и другим одновременно. Открытие дуальностей доказывает, что полумиллиардный ландшафт пространств обладает колоссальной избыточностью. Многие из этих геометрий приводят к идентичной физике, что позволяет условно «сложить карту решений пополам» и резко сократить область поиска нашей Вселенной.
Параллельно с теорией струн идет концепция суперсимметрии (SUSY). Она постулирует, что у каждой известной частицы есть массивный скрытый партнер: у бозонов — фермионные партнеры, у кварков — «скварки». Нил Деграсс Тайсон сыронизировал над номенклатурой физиков 1970-х годов, когда новые частицы открывались каждый месяц, заметив, что названия вроде «скварк» или «гравитино» (симметричный партнер неоткрытого пока гравитона) звучат как бренды фармацевтических продуктов.
Эксперименты на Большом адронном коллайдере не обнаружили следов суперсимметрии в низких энергетических диапазонах, что разочаровало многих ученых. Сейчас физики склоняются к выводу, что если суперсимметрия и существовала, то она была спонтанно нарушена на самых ранних, высокоэнергетических этапах развития Вселенной. К моменту формирования нашего холодного мира суперсимметричные партнеры стали слишком тяжелыми, оставив после себя только привычные частицы Стандартной модели. Новейшие дуальности, разрабатываемые Ларой Андерсон, ценны тем, что они требуют гораздо меньше допущений о суперсимметрии, делая «сферическую корову» расчетов более реалистичной.
Понятие симметрии в физике фундаментально:
- Если законы физики не меняются от того, что лабораторию перенесли на 5 футов влево, из этой пространственной симметрии математически выводится закон сохранения импульса.
- Если эксперимент, проведенный сегодня, дает тот же результат завтра — из этой временной симметрии следует закон сохранения энергии.
Симметрии полностью предопределяют вид физических уравнений.
🍩 Пространства Калаби-Яу и бублики из кофейной чашки 54:07
Конкретные шестимерные геометрические конфигурации, удовлетворяющие уравнениям Эйнштейна, называются пространствами (или многообразиями) Калаби-Яу. Они названы в честь математиков Эудженио Калаби, выдвинувшего гипотезу об их существовании, и Шинтана Яу, который строго доказал её, за что получил Медаль Филдса — аналог Нобелевской премии для математиков до 40 лет. Лара Андерсон отмечает, что математики специально ввели возрастной ценз, посчитав хронологию главным критерием гениальности. Позже за развитие концепции гомологической зеркальной симметрии Филдсовскую медаль получил и российский математик Максим Концевич.
Взаимодействие фундаментальной физики и передовой математики длится веками. Нил Деграсс Тайсон в своем финальном «космическом манифесте» напомнил, что само слово «геометрия» уходит корнями в Древнюю Грецию и буквально переводится как «измерение Земли». То, что сегодня кажется абстрактными и оторванными от реальности формулами многомерных пространств, в будущем неизбежно ляжет в основу технологий, инженерии и уклада человеческого общества.
В завершение беседы Тайсон в шутку спросил Андерсон, пускают ли ее, чистого теоретика, на реальные ускорители частиц. Физик призналась, что ее пускают туда исключительно «на коротком поводке». Тайсон добавил, что однажды взял с собой на обсерваторию в Чили физика-теоретика, и в ту же ночь случилось землетрясение, после чего экспериментаторы навсегда запретили теоретикам приближаться к телескопам. Несмотря на вечное шутливое противостояние, и Тайсон, и Андерсон сошлись во мнении, что этот междисциплинарный брак эксперимента и теории — единственный способ продолжать смотреть вверх и разгадывать тайны космоса.
