Возьмем, к примеру, идею размерности пространства. Традиционно считается, что мы наблюдаем только три измерения – длину, ширину и высоту. Большинство физиков XIX века покачали бы головой и закатили глаза, услышав разговоры о чем-то еще. В те времена четвертое и более высокие измерения ассоциировались либо с заумной математикой, либо с шарлатанами-медиумами. В самом деле, когда Эйнштейн в 1905 году сформулировал специальную теорию относительности, описывающую, что происходит, когда скорость тел приближается к скорости света, он по отдельности рассматривал эффекты такого сверхбыстрого перемещения: сжатие вдоль направления движения в трехмерном пространстве и растяжение временных интервалов. Иными словами, он все еще считал пространство и время двумя различными категориями.

Однако два года спустя математик Герман Минковский нашел гораздо более естественную формулировку специальной теории относительности, предложив объединить пространство и время в четырехмерный пространственно-временной континуум. Он переосмыслил сжатия и растяжения как своего рода повороты в четырех измерениях, которые забирают протяженность у пространства и отдают времени, сохраняя пространство-время в целом неизменным. В четырехмерном мире причудливые эйнштейновские трансформации, напоминающие «Алису в Стране чудес», внезапно обрели более понятный смысл.

Считая четырехмерность слишком заумной, Эйнштейн несколько лет сопротивлялся предложению Минковского, пока уважаемые коллеги не убедили его, что этот математический формализм на самом деле делает его теорию более простой, а не более странной. В дальнейшем он блестяще использовал концепцию четвертого измерения при создании общей теории относительности, опубликованной в 1915 году.

В общей теории относительности Эйнштейн объяснил гравитацию как искривление пространства-времени в присутствии материи и энергии. Это искривление происходит вдоль обычно недоступного дополнительного измерения подобно тому, как мы обычно путешествуем вдоль поверхности сферической Земли и редко – в направлении ее недр^[10].

Но, что бы ни говорила теория о неприступности дополнительного измерения, само его наличие наводит на мысли о потайных ходах и скрытых коротких путях. Сам Эйнштейн с одним из своих сотрудников исследовал такие возможности, а в середине 1950‐х годов Джон Уилер ввел понятие кротовых нор – своеобразных тоннелей в пространстве, соединяющих удаленные друг от друга области. В конце 1980‐х годов ученик Уилера, Кип Торн, продолжил развивать эту концепцию, изучив вопрос о проходимых кротовых норах, по которым могли бы перемещаться астронавты. Кротовые норы могут соединять две удаленные друг от друга части пространства, связывать разные эпохи во времени или даже соединяться с областями пространства-времени, которые в противном случае были бы полностью недоступны. В 2014 году режиссер Кристофер Нолан обыграл эту идею в фильме «Интерстеллар», в создании которого Торн участвовал как научный консультант и сопродюсер.

Теоретически через кротовые норы можно отправиться в параллельные Вселенные, как предполагает один из вариантов теории мультивселенной, где пространства всех Вселенных связаны с нашей, либо же путешествовать в прошлое и менять ход истории, порождая еще один вариант мультивселенной с альтернативными реальностями. Например, путешественник, который отправился бы в прошлое и по неосторожности помешал бы Франклину Рузвельту стать президентом, мог бы оказаться в альтернативной версии реальности, где во Второй мировой войне державы Оси победили союзников. Сценарии путешествий во времени, конечно, остаются весьма надуманными (и, вероятно, даже невозможными в реальности), но обсуждаются на страницах серьезных научных журналов.

Дополнительные измерения привлекли внимание физиков еще и по другой причине: они открывают возможность объединить все природные силы, включая гравитацию и другие взаимодействия, в единую математическую систему. Всего через несколько лет после того, как Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, Теодор Калуца, молодой преподаватель математики, прислал ему работу, в которой предлагал способ, добавив в теорию еще одно измерение, включить в нее наряду с гравитацией электромагнетизм – вторую известную на тот момент фундаментальную физическую силу. Некоторое время спустя Оскар Клейн независимо разработал аналогичную пятимерную модель, которая хорошо сочеталась с квантовой физикой. Поэтому предложения по объединению, включающие дополнительные измерения, иногда называют теориями Калуцы – Клейна. Несмотря на свое прежнее недоверие к дополнительным размерностям, Эйнштейн вместе с несколькими научными сотрудниками работал над собственными вариантами пятимерной единой теории поля, но в 1943 году отказался от этого подхода и провел последние годы жизни в поисках других моделей объединения.

И снова вспоминается критика Бора в адрес Паули. Объединение в пяти измерениях – слишком безумная или недостаточно безумная идея? К 1970–1980‐м годам физики осознали, что им необходимо расширять горизонты. Их внимание привлекли еще два вида фундаментальных сил – сильное и слабое ядерные взаимодействия. Чтобы охватить их наряду с гравитацией и электромагнетизмом, пришлось обратиться к еще более многомерным теориям. Так появились модели супергравитации с одиннадцатью и суперструнные модели с десятью измерениями. Ученые пришли к выводу: необходимо добавить больше измерений, чтобы включить в теорию все четыре силы и при этом сохранить математическую строгость (и сократить некоторые сомнительные вклады, встречающиеся в моделях с меньшим числом измерений). Всего за несколько десятилетий идея многомерности в глазах сообщества физиков-теоретиков прошла путь от почти смехотворной до практически незаменимой.

В теории суперструн, как и в теории струн в целом, точечные частицы на фундаментальном уровне заменяются вибрирующими энергетическими нитями. Приставка «супер-» относится к гипотетическому свойству субатомного мира, называемому суперсимметрией, за счет которой при чрезвычайно высоких энергиях составляющие материи могут становиться носителями силы, и наоборот. В 1990‐х годах благодаря синтезу различных моделей под общим названием М-теория в эту концепцию были добавлены вибрирующие мембраны.

Очевидно, что, несмотря на теоретические изыски, обычное пространство остается трехмерным, а традиционное пространство-время – четырехмерным. Поэтому в теории струн и М-теории дополнительные измерения обычно сворачиваются в крошечные клубки или узлы. Представьте себе, что вы идете по такому свернутому дополнительному измерению и, не успев никуда попасть, оказываетесь там же, откуда начали – своего рода пространственный день сурка. Эти свернутые пространства настолько малы – на много порядков меньше масштабов, с которыми мы имеем дело в коллайдерах элементарных частиц, – что их невозможно наблюдать. По оценкам исследователей, оказалось, что дополнительные измерения можно свернуть примерно 10500 (500 нулей после единицы) способами, каждому из которых соответствует своя Вселенная. Вместо того чтобы прийти к однозначному представлению о том, как все фундаментальные взаимодействия вытекают из математических соотношений в одиннадцатимерном пространстве, теория струн и М-теория породили обескураживающее разнообразие. Не нашлось еще ясного математического приема, который отсеял бы все эти варианты, оставив одну-единственную теорию. Следовательно, множество возможных конфигураций приводит к появлению еще одной разновидности мультивселенной, называемой струнным ландшафтом. Он состоит из всех возможных Вселенных, обладающих различными физическими свойствами, которые обусловлены мириадами способов скручивания дополнительных измерений. И одна из этих Вселенных, как надеются теоретики, – наша.

Физикам-теоретикам понадобилось чуть больше столетия, чтобы пройти путь от неохотного принятия времени в качестве четвертого измерения для более изящной формулировки теории относительности, до месива сценариев теории струн в десяти или одиннадцати измерениях без особых надежд на упрощение. В то время как одни исследователи возмущены нынешним запутанным положением дел, другие признают, что теория струн выглядит единственным жизнеспособным путем к объединению, учитывая прошлые неудачи с подходами, основанными на частицах^[11].

Каким бы странным ни казалось такое большое число измерений, физики постоянно ведут квантовые расчеты в абстрактных гильбертовых пространствах неограниченной размерности. Ключевое отличие состоит в том, что измерения, выполняемые над величинами в гильбертовом пространстве, как ожидают физики (в согласии с копенгагенской интерпретацией или по иным причинам), в конечном итоге дают результаты, воспринимаемые в пространстве с меньшей размерностью. В случае струнного ландшафта процесс сужения спектра возможностей до нашей собственной осязаемой реальности выглядит гораздо менее определенным. Хотя теория струн основана на поваренной книге вековой давности, которая включает объединенное пространство-время Минковского, геометрические соотношения общей теории относительности, пятимерную теорию Калуцы – Клейна и математические преобразования, применяемые к квантовым состояниям в гильбертовом пространстве, в настоящее время в ней нет рецепта объединения. Она лишь позволяет почувствовать вкус того, что когда-нибудь может получиться.

Ландшафты и грезы

Если в физике понятие мультивселенной появилось относительно недавно, то мысленное конструирование альтернативных миров – занятие древнее. Плетение историй – привычное для нас дело. Во сне разум автоматически создает странные видéния событий, которые на самом деле никогда не происходили или по крайней мере происходили по-другому. Успешное планирование часто предполагает мысленное взвешивание альтернативных сценариев и выделение оптимального. Гроссмейстеры в шахматах на много ходов вперед продумывают многочисленные цепочки возможных событий и ответных решений, прежде чем двинуть с места хоть пешку.

Некоторые философы и богословы, пытаясь постичь божественный промысел, представляли себе Творца размышляющим над каждым шагом творения, прежде чем воплотить его в жизнь. Например, Готфрид Лейбниц предположил, что Бог – не только всевидящий и всезнающий в отношении реального космоса, но и всеведущий в отношении строения и развития всех мыслимых реальностей. Из этого множества Он выбрал лучший из всех возможных миров. Гениальный сатирик Вольтер безжалостно высмеял эту идею, воплотив ее в образе хронического сангвиника Панглосса в «Кандиде», который из любой трагедии извлекает самые радужные выводы. Остроумие этой сатиры основано на нашей склонности видеть темную сторону истории и считать, что человечеству не повезло. Однако в сравнении со всеми возможными космическими исходами, нам по крайней мере посчастливилось оказаться на процветающей планете с условиями, необходимыми для поддержания разумной жизни.

Мультивселенные, как мы видим, не обязательно представляют расширения осязаемого физического мира. Их можно разделить на две категории: те, которые расширяют Вселенную в физическом плане, например предполагая существование областей, недоступных для наблюдения, и те, что существуют в области гипотетических возможностей и служат в основном для сравнения. То есть одни – это ландшафты, а другие – сказочные грезы.

Современная физика, пытаясь ответить на вопросы «Что есть реальность?» и «Почему реальность обладает определенными свойствами?», использует оба подхода – физические расширения и нереализованные альтернативы. Оба варианта возникают в общей теории относительности Эйнштейна, которая включает в себя множество решений конечного или бесконечного размера для геометрии Вселенной. Например, пространство может быть положительно искривленным, подобно поверхности сферы, отрицательно искривленным, как седло, или плоским, идеально прямым во всех трех измерениях, как коробка, растянутая до бесконечности во всех направлениях. Каждую из этих (и не только этих) возможностей можно согласовать с уравнениями общей теории относительности.