Теория струн долгое время считалась лучшим кандидатом физиков для описания фундаментальной природы Вселенной, где элементарные частицы и силы описываются как вибрации крошечных энергетических нитей. Но в начале XXI века стало понятно, что большинство версий реальности, описываемых уравнениями теории струн, не соответствуют наблюдениям в нашей Вселенной.
В частности, традиционные предсказания теории струн несовместимы с наблюдениями тёмной энергии, которая, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной, а также с жизнеспособными теориями квантовой гравитации. Вместо этого они предсказывают обширное «болото» невозможных вселенных.
Новый анализ
Новый анализ физика FQxI Эдуардо Гендельмана из Университета Бен-Гуриона в Негеве, Израиль, показывает, что экзотическое подмножество моделей струн — в которых натяжение струн генерируется динамически — может обеспечить выход из «болота» теории струн.
В начале 2000-х теоретики струн поняли, что уравнения теории струн порождают не одно описание Вселенной, а ошеломляющие 10^500 возможных решений, соответствующих почти бесконечному разнообразию потенциальных вселенных. У каждой из этих вселенных свои частицы и силы, создавая то, что стало известно как «пейзаж теории струн» из множества возможных космосов.
Вскоре после этого, в 2005 году, стало ясно, что этот ландшафт окружён так называемым «болотом» решений — внешне жизнеспособными квантовыми теориями поля, которые при ближайшем рассмотрении оказываются несовместимыми с любой работоспособной теорией квантовой гравитации.
Ограничения «болота»
Чтобы отделить ландшафт от болота, было предложено, что правдоподобные теории в ландшафте должны подчиняться определённым «ограничениям болота». Проблема в том, что когда традиционные теории струн удовлетворяют этим ограничениям, физики обнаруживают, что они не могут легко воспроизвести инфляцию — короткий всплеск быстрого расширения, который, как считается, пережила ранняя Вселенная — или тёмную энергию, которая, как полагают, ускоряет рост нашей Вселенной сегодня.
«Более традиционные теории струн очень враждебны к инфляции, в частности к «сценариям медленного качения», и даже к существованию пространства де Ситтера как вакуума теории — вакуума нашей реальной Вселенной — которое является основой не только инфляции, но и тёмной энергии», — говорит Гендельман, член FQxI, Института фундаментальных вопросов.
«Ограничения болота делают космологию невозможной или почти невозможной для практического космолога, потому что реальная Вселенная, по-видимому, прочно находится в болоте традиционной теории струн».
Новые перспективы
Теперь у Гендельмана есть статья, опубликованная в The European Physical Journal C, в которой показано, что определённое экзотическое подмножество теорий струн может лучше описывать нашу реальную Вселенную по сравнению с её более традиционными аналогами.
Во всех моделях теории струн струны имеют некоторое натяжение; но в большинстве традиционных моделей значение этого натяжения является константой, которую добавляют вручную, произвольно. Гендельман изучал модели, в которых это натяжение возникает динамически, генерируемое поведением струн в модели.
В новом документе Гендельмана описывается формулировка такой теории и показано, что из-за динамической природы натяжения ограничения болота значительно ослаблены. Это связано с тем, что расчёты, выводящие ограничения, связаны с размером так называемого «планковского масштаба» — который, как считается, соответствует наименьшему возможному размеру чего-либо во Вселенной, включая струну.
Но поскольку планковский масштаб сам связан с натяжением струны, в этих моделях сам планковский масштаб становится динамическим, говорит Гендельман.
«В режиме, где динамическое натяжение, а следовательно, и планковский масштаб становятся очень большими, ограничения становятся неактуальными или очень слабыми», — говорит Гендельман. «Таким образом, теория струн с динамическим натяжением благоприятна для инфляции и тёмной энергии».
Предоставлено: Институтом фундаментальных вопросов, FQXi.