Теория всего (которая ничего не предсказывает). Что случилось с теорией струн — она умерла или просто ждет своего часа?

Физики любят простые объяснения. Как бы ни были сложны уравнения, в глубине души многие из них надеются, что все законы природы однажды сложатся в единую понятную картину. Отсюда идея "теории всего" - одной фундаментальной схемы, которая описывает весь наш мир от кварков до галактик.

Теория струн возникла как один из таких кандидатов. В очень грубом приближении она заменяет привычные точечные частицы на одномерные "струны", из колебаний которых рождаются все известные нам частицы и силы. Сначала ее придумали для решения другой физической задачи, но довольно быстро теория привлекла внимание тех, кто пытался подружить квантовую механику и общую теорию относительности - две блестящие, но плохо совместимые основы современной физики.

В 80-е и 90-е годы начались так называемые "суперструнные революции": теория обрастала деталями, появлялись новые математические идеи, росла надежда, что именно она окажется недостающим звеном между микромиром и гравитацией. Научный энтузиазм выплеснулся и в массовую культуру: в 1990-х и 2000-х выходили популярные книги и документальные фильмы, теория струн звучала как главный претендент на роль теории всего.

А потом, с наступлением нового века, ажиотаж заметно стих. В новостях теория струн стала появляться реже, вокруг нее стало меньше разговоров. Если заглянуть в статистику упоминаний в книгах, видно, что интерес в печатной литературе за последние десятилетия тоже пошел на спад. Отсюда естественный вопрос: а что вообще со струнной теорией сейчас происходит? Она тихо умерла или просто ушла с главной сцены вглубь научных работ?

Многие физики уверяют: нет, теория струн совсем не мертва. Одна из главных претензий к ней в том, что ее предсказания относятся к невероятно малым масштабам, до которых нынешние эксперименты просто не дотягиваются. У теории пока нет ясного, проверяемого прогноза, который можно подтвердить или опровергнуть в лаборатории. Но само по себе это еще не приговор. В истории науки уже бывало, что чисто математические забавы спустя десятилетия становились необходимым языком для описания реальной физики. Поэтому часть исследователей вообще не любит делить идеи на "настоящее" и "ненастоящее" научное знание: иногда именно самые странные и абстрактные конструкции в итоге приводят к открытию.

Сообщества специалистов по струнной теории по-прежнему активны. Ежегодные конференции собирают сотни участников, в крупнейших университетах и институтах по всему миру продолжаются семинары и школы. Много теоретиков убеждены, что именно в этом направлении лежит путь к единой картине мира, хотя впереди еще огромный объем работы. Почти все они согласны в одном: до прямых экспериментальных подтверждений может пройти очень много времени.

Именно это, кстати, еще один источник скепсиса. У струнной теории есть влиятельные критики, которые считают, что как попытка построить фундаментальную объединенную теорию она давно зашла в тупик. Один из аргументов: ей нужно десять измерений пространства-времени, тогда как мы наблюдаем только четыре. Чтобы согласовать теорию с реальностью, приходится "прятать" лишние измерения, сворачивая их в сложные геометрические структуры. Простые варианты такого "сворачивания" не похожи на наш мир, а в более хитрых сценариях можно получить практически что угодно. В результате теория теряет предсказательную силу: если она разрешает слишком много вариантов, она как будто не говорит ничего конкретного.

Дополнительный удар по репутации нанес Большой адронный коллайдер. Многие струнные модели основаны на суперинверсии - гипотетической симметрии, которая предсказывает существование "партнеров" известных частиц. Именно эти частицы считались наиболее реалистичным шансом увидеть следы струнной теории в экспериментах. Но поиски на коллайдере пока не выявили никаких следов суперинверсии. Критики считают, что это "последний гвоздь в крышку гроба" струнной теории как реального описания нашего мира, а сами струнные идеи превратились в широкий математический зонтик, под которым скрывается множество красивых, но оторванных от реальности моделей.

Есть и более мягкая, но все же жесткая критика. теория струн так и не справилась с теми задачами, которые обещала решить в области физики частиц. Она не объяснила, почему в Стандартной модели именно такие значения параметров, почему у элементарных частиц три поколения, почему именно такой набор взаимодействий. После десятилетий работы у ученых до сих пор нет единого, аккуратно записанного варианта струнной теории с полным набором уравнений. Скорее это набор связанных между собой результатов и моделей, чем одна цельная теория.

На этом фоне защитники струнной теории напоминают о другом: альтернативы пока выглядят еще более слабыми. Да, у струнной теории есть "ландшафт" возможных состояний, и она не дает единственного ответа, как устроена Вселенная. Но другие подходы к квантовой гравитации пока не могут похвастаться ни сравнимой математической глубиной, ни сопоставимой связью с уже известной физикой. Важную роль играют так называемые проверки на внутреннюю непротиворечивость. Например, в рамках струнной теории удалось в идеализированных условиях вычислить энтропию черной дыры и получить ту же формулу, что и у Хокинга. Это не прямой эксперимент, но очень строгий тест, который не так просто пройти.

Кроме того, теория струн полезна даже как "игрушечная модель". Если это математически замкнутая конструкция, то она вынуждена давать ответы на вопросы о происхождении Вселенной, о сингулярностях, о начале времени. Эти ответы могут описывать не наш мир, но они помогают понять, какие сценарии в принципе совместимы с квантовой гравитацией, а какие нет. Для части физиков это вполне серьезный научный прогресс, пусть и без немедких экспериментальных проверок.

Есть и свежие поводы для осторожного оптимизма. Новые космологические наблюдения, полученные крупными проектами DESI и DES, намекают, что стандартная модель космологии может быть неполной: видимая динамика Вселенной не до конца согласуется с предположением, что "темный сектор" не меняется со временем. Некоторые струнно-мотивированные модели, по словам теоретиков, лучше других описывают эти данные. Параллельно в Австрии и США готовятся эксперименты на лабораторных установках, которые пытаются поймать следы так называемого "темного измерения" - дополнительного измерения пространства, которое может проявляться в очень тонких эффектах. Ожидается, что первые результаты появятся в ближайшие годы.

Все это не означает, что теория струн вот-вот победит. Скорее, речь идет о том, что у нее наконец могут появиться реальные шансы на проверку. Если эксперименты подтвердят струнно-мотивированные предсказания, это будет огромным успехом. Если нет - это тоже важный результат, который поможет сузить поиск и, возможно, подтолкнет физиков к новым идеям. Многие теоретики прямо говорят: они готовы принять любой исход, как только появятся надежные данные.

Сегодня теория струн находится в странном положении. Она уже не выглядит бесспорным путеводной звездой, как в 1990-х, но и не превратилась в забытый тупик. Для одних это слишком сложный и слишком гибкий математический замок, который так и не встретился с реальностью. Для других - единственный по-настоящему глубокий и связный язык, который у нас есть для разговора о квантовой гравитации и об устройстве Вселенной. Ответ на вопрос "что стало со струнной теорией" пока прост: она живет, спорит сама с собой и с критиками и ждет момента, когда эксперименты наконец догонят математику.