Екатерина Диппер - Теория Большого взрыва: гид по сериалу по версии Kuraj-Bambey

Дело в том, что создать трехмерное пространство из десятимерного можно огромным количеством способов. Сейчас это количество оценивается числом с сотней, а может быть, и пятьюстами нулей. Вполне возможно, что количество таких способов бесконечно, а тогда свести весь наш мир к компактному струнному многообразию даже не получится, и теория становится вещью в себе — принципиально объясняя, как устроен наш мир, она не может ничего предсказать и даже быть экспериментально подтверждена. При этом в философии физики давно выработаны правила, какую теорию можно считать научной, и одно из них (так называемый критерий фальсифицируемости или критерий Поппера) гласит, что теория, принципиально не проверяемая практикой, не может считаться физической. Из-за вопроса, насколько этот критерий применим в случае струнной теории, перессорилось уже не одно поколение теоретиков. Одни считают, что критерий устарел, и теория сама по себе настолько хороша, что не может быть неправильной, другие — что Поппер ничего не говорил о том, что это убогое человечество не может поставить по-настоящему интересный эксперимент, например, взорвать сверхновую звезду поблизости от Солнечной системы, а третьи говорят, что сама идея струн — полная ерунда, и квантовать нужно не частицы, делая из них струны, а само пространство-время.

Собственно, эти третьи и создали новый модный тренд в физике частиц под названием петлевая квантовая гравитация. Сама мысль о том, что пространство не однородно, а, также, как и материя, состоит из собственных атомов, звучит достаточно интересно. Настолько, что вполне может оказаться правдой. В свое время так же лихо звучали и постулаты Эйнштейна, и принципы Бора. Самое интересное, что как и в идее со шлангом из теории струн, пространство кажется однородным на больших расстояниях, поэтому все предыдущие теории, такие как стандартная модель, получаются и из новой теории, но при этом она оказывается даже более квантовой, чем теория струн, ведь в данном случае квантуется само пространство!

Что же касается теории относительности, то искривления пространства трактуются в этом случае как разрывы или новые соединения этих атомов пространства. Как в случае с молекулами, разные соединения одних и тех же атомов способны дать и сажу, и алмаз, в случае петлевой квантовой гравитации различные связи атомов дают и наш относительно плоский мир, и изуродованное, почти вывернутое наизнанку пространство черной дыры. Кстати, именно вычисления одного из параметров черных дыр дали косвенное подтверждение идеи квантованного пространства.

Конечно, обе вышеописанные теории являются пока всего лишь гипотезами, даже косвенное подтверждение которых затруднено масштабом их отличий от существующих. Так, струны в одном случае и кванты пространства в другом имеют масштаб порядка 0,0000000000000000000000000000000016 см, в то же время типичная энергия, необходимая для их наблюдения, составляет 543,3 кВтч, что в 1000000000000000 раз превышает энергию, достижимую на самом мощном ускорителе. Поэтому выбор одной из теорий в настоящее время определяется скорее личным отношением к их создателям или собственным вкусом.

Шелдону больше нравятся суперструны, а Ли Смолину, популярные статьи которого всем интересующимся навязчиво рекомендуется прочитать, — дискретное, разбитое на мельчайшие составные части пространство.

Работы Леонарда отличаются большим разнообразием, чем математическое конструирование многомерных пространств у Шелдона. Или, быть может, он просто склонен больше разбрасываться. В любом случае, тут мы видим и работы с Бозе-Эйнштейновским конденсатом, и подтверждение эффекта Ааронова-Бома, и изучение мягкой составляющей космического излучения на уровне моря, и даже неудачную (бедный лифт!) попытку создания нового вида ракетного топлива. Но главное — это безуспешные попытки опровержения существующих взглядов на мир, в частности — отрицание наличия темной материи и работы с его любимыми лазерами.

Кстати, о последних: лазеры настолько прочно вошли в нашу жизнь, что многими воспринимаются, как совершенно обыденный предмет, впрочем, не лишенный доли магического очарования. Что-то среднее между мощным фонариком и световым мечом из «Звездных войн». Между тем, даже простейшая копеечная лазерная указка просто сбила бы с ног создателя классической электродинамики Джеймса Клерка Максвелла, не говоря уже о создателе волновой оптики Кристиане Гюйгенсе. Дело в том, что в рамках классических представлений о природе света, такой предмет, как лазер, просто не может существовать! Представьте себе этих вне всякого сомнения выдающихся ученых, живших на планете, когда им показывают светящийся карандаш со словами: «А вот тут у нас находится источник когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения». А пока Кристиан и Джеймс Клерк приходят в себя, попытаемся осознать смысл сказанных слов и понять, что их так потрясло, одновременно принеся двум нашим соотечественникам Нобелевскую премию по физике в 1964 году.

Итак, поставим себя на место Гюйгенса, уверенного, что свет распространяется волнами, и разберем каждый из сказанных терминов по отдельности:

• когерентность означает, что все волны в этом пучке имеют одинаковую фазу, то есть не набегают и не отстают друг от друга;

• монохроматичность ведет к тому, что волны оказываются точно одного цвета, без малейших отклонений;

• в отличие от волн в море, световые волны могут колебаться в разных пространственных направлениях, а поляризация как раз и говорит о том, что какое-то из этих направлений свет почему-то «считает» предпочтительным;

• узконаправленность является больше делом техники, тем не менее у лазера есть впечатляющее (по крайней мере для Гюйгенса) свойство самофокусироваться.

Что же получается? Мы имеем световой океан, заполненный четко следующими друг за другом абсолютно одинаковыми волнами. Сами понимаете, что даже человек с полным отсутствием физического воображения, каким считает Леонарда Шелдон, способен придумать тысячу применений такому прибору, из которых кипячение жестянки с супом будет далеко не самым интересным.

Но все же мы еще не ответили на вопрос, что находится внутри у этой штуковины. Для ответа вспомним предыдущий параграф, а именно ту его часть, где говорится, что все сущее обязано иметь свою самую малую часть. Такой малой частью для света является фотон, причем процессы излучения и поглощения этих фотонов квантовыми объектами носят сильно отличающийся от классического характер. Главным тут является то, что любой объект, будь то молекула или атом, не может ни излучить, ни запросто поглотить фотон произвольной энергии [34] В силу того, что фотон является то частицей, то волной, в зависимости от конкретного физического процесса, это означает, что и длина соответствующей волны так же не может быть произвольной. . Испускаемая энергия обязана иметь одно из строго определенных значений. А в случае поглощения атом склонен «выбирать», какой фотон он согласен «принять», и он однозначно любит те фотоны, энергия которых близка к той, которую он сам излучает.