Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

Но больше всего по сердцу Эйнштейну была его единая теория поля. Эйнштейн говорил Хелен Дукас, что физики поймут, чем, собственно, он занимался лет, наверное, через сто. Он ошибался. Не прошло и 50 лет, а интерес к единой теории поля уже возродился. Поиски обобщения, которые физики когда-то осмеяли и сочли бесперспективными, сейчас представляются важными, а результат, кажется, дразняще маячит совсем рядом. Эта тема сегодня доминирует почти на любой встрече физиков-теоретиков.

После двух тысяч лет исследования свойств материи, с тех пор, когда Демокрит и другие греки задались вопросом о составе Вселенной, физика произвела на свет две конкурирующие теории, совершенно несовместимые между собой. Первая – это квантовая теория, которой нет равных при описании мира атомов и элементарных частиц. Вторая – общая теория относительности Эйнштейна, подарившая нам захватывающие дух теории черных дыр и расширяющейся Вселенной. Главный парадокс в том, что эти две теории – полные противоположности. Они исходят из разных начальных предположений, пользуются разной математикой и опираются на разные физические картины. Квантовая теория построена на дискретных пакетах энергии, называемых «квантами», и описывает танец элементарных частиц. А теория относительности основана на гладких поверхностях.

Ученые сегодня уже сформулировали самый прогрессивный вариант квантовой физики, который воплотился в так называемой Стандартной модели, объясняющей субатомные экспериментальные данные. В каком-то смысле это самая успешная теория в природе; она описывает свойства трех (электромагнитного, слабого и сильного ядерного) из четырех фундаментальных взаимодействий. Несмотря на успешность Стандартной модели, у нее есть две бросающиеся в глаза проблемы. Во-первых, она чрезвычайно некрасива; возможно, это одна из безобразнейших теорий, когда-либо предлагавшихся в науке. Теория просто связывает между собой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, причем связывает достаточно искусственно. Это как соединить при помощи скотча кита, муравьеда и жирафа и утверждать, что это высшее достижение природы, конечный продукт миллионов лет эволюции. При ближайшем рассмотрении Стандартная модель представляет собой путаный случайный набор элементарных частиц со странными бессмысленными названиями, такими как кварки, бозоны Хиггса, частицы Янга – Миллса, W-бозоны, глюоны и нейтрино. Хуже того, Стандартная модель вообще не упоминает о гравитации. Более того, если попытаться искусственно привязать гравитацию к Стандартной модели, выяснится, что теория сразу же рушится. Она начинает выдавать ерунду. На протяжении 50 лет все попытки связать квантовую теорию с теорией относительности оставались безрезультатными. А учитывая ее эстетические дефекты, можно заключить, что единственный довод в ее пользу – то, что она, безусловно, верна в пределах соответствующих экспериментальных данных. Очевидно, необходимо пойти дальше Стандартной модели и заново пересмотреть объединяющий подход Эйнштейна.

Теперь, через 50 лет, ведущим кандидатом на роль теории всего – теории, способной объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, – является так называемая теория суперструн. Более того, это единственный претендент на эту роль, поскольку все конкурирующие теории уже отброшены. Физик Стивен Вайнберг сказал: «Теория струн стала нашим первым реальным кандидатом на роль окончательной теории». Вайнберг говорит, что все карты, по которым ориентировались древние моряки, указывали на существование легендарного Северного полюса, хотя прошло немало столетий, прежде чем Роберт Пири в 1909 г. наконец добрался до него. Аналогично все открытия в физике элементарных частиц указывают на существование «Северного полюса» Вселенной, то есть единой теории поля. Теория суперструн может вобрать в себя все лучшие черты квантовой теории и теории относительности удивительно простым способом. Теория суперструн основана на идее о том, что элементарные частицы можно рассматривать как ноты на колеблющейся струне. Если Эйнштейн сравнивал вещество с деревом из-за его путаных свойств и хаотичной на первый взгляд природы, то теория суперструн сводит материю к музыке. (Эйнштейну, который был превосходным скрипачом, это, вероятно, понравилось бы.)

В какой-то момент в 1950-е гг. физики отчаялись разобраться в элементарных частицах, поскольку новые частицы тогда открывали едва ли не каждый день. Роберт Оппенгеймер в раздражении однажды сказал: «Нобелевскую премию по физике следовало бы дать тому физику, кто не откроет в этом году ни одной новой частицы». Элементарным частицам надавали такое множество диковинных греческих названий, что Энрико Ферми сказал: «Если бы я знал, что будет так много частиц с греческими названиями, я бы стал ботаником, а не физиком». Но в теории струн, если бы можно было взять сверхмощный микроскоп и заглянуть непосредственно в электрон, выяснилось бы, что это не точечная частица, а колеблющаяся струна. Когда суперструна колеблется в другом режиме, или на другой ноте, она превращается в другую элементарную частицу, к примеру, в протон или в нейтрино. В этой картине элементарные частицы, которые мы видим в природе, можно рассматривать как самую нижнюю октаву суперструны. Таким образом, лавина элементарных частиц, открытых за несколько десятилетий, представляют собой просто ноты на этой суперструне. Законы химии, которые кажутся очень путаными и произвольными, представляют собой мелодии, сыгранные на суперструнах. Сама Вселенная – это симфония струн, а законы физики – не что иное, как гармонии суперструн.

Теория суперструн может также вместить в себя все наработки Эйнштейна по теории относительности. Движение струны в пространстве-времени вынуждает окружающее пространство искривляться, в точности как предсказывал в 1915 г. Эйнштейн. Более того, теория суперструн окажется противоречивой, если струна не будет двигаться в пространстве-времени в соответствии с общей теорией относительности. Как сказал физик Эдвард Виттен, даже если бы Эйнштейн вообще не открыл общую теорию относительности, ее вполне можно было бы открыть иначе, через теорию струн. Виттен заметил: «Теория струн чрезвычайно привлекательна, потому что от гравитации в ней никуда не денешься. Все известные непротиворечивые теории струн включают в себя гравитацию, так что если в квантовой теории поля, как мы ее знаем на данный момент, гравитация невозможна, то в теории струн она обязательна».

Однако теория струн позволяет сделать и еще кое-какие удивительные предсказания. Струны способны непротиворечиво двигаться только в десятимерном пространстве (одно измерение на время и девять – на пространство). Более того, теория струн – единственная теория, которая устанавливает размерность своего собственного пространства-времени. Подобно теории Калуцы – Клейна 1921 г., она способна объединить гравитацию с электромагнетизмом, предположив, что высшие измерения могут колебаться, порождая силы, способные распространяться по трем измерениям, как свет. (Если добавить одиннадцатое измерение, то в теории струн возможны мембраны, колеблющиеся в гиперпространстве. Такой вариант называется М-теорией; он вбирает в себя теорию струн и позволяет взглянуть на нее по-новому, с позиции одиннадцатого измерения.)