Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Появление квантовой механики (о которой рассказывалось в предыдущей главе) в начале прошлого века было связано с доказательством, что материя состоит из атомов. Квантовая физика требует, чтобы некоторые величины, такие, как энергия атома, могли принимать только определенные дискретные значения. Квантовая механика в точности описывает свойства и поведение атомов, элементарных частиц и связывающих их сил. Самая успешная в истории науки квантовая теория лежит в основе нашего понимания окружающего мира.

Физики и математики очень много сделали для превращения классической теории относительности в квантовую. Например, сейчас у физиков популярна теория струн, согласно которой помимо трех хорошо известных пространственных измерений есть еще шесть или семь, которые до сих пор никому не удавалось заметить. Эти измерения очень компактно скручены наподобие пружин и «спрятаны» в глубине обычного пространства. Выявить их можно только при столкновении очень энергичных частиц. Такие эксперименты планируется провести на новых сверхмощных ускорителях элементарных частиц — коллайдерах. Теория струн также предсказывает существование множества новых элементарных частиц и сил, наличие которых еще ни разу не было подтверждено наблюдениями.

Созданная в начале прошлого века общая теория относительности в течение долгого времени оставалась самым величественным и сложным построением теоретической физики. Казалось, человеческая мысль достигла предельных высот, с которых можно обозревать мир от первых мгновений его жизни и до невообразимо далеких времен, когда он превратится в рой разлетающихся элементарных частиц. Расширяющееся во все стороны, «распухающее» пространство с провалами «черных дыр»… космические миры, спрятавшиеся внутри микрочастиц… области, в которых замирает время и секунда превращается в миллиарды миллиардов лет… толстые книги, заполненные вязью сложнейших математических формул… Казалось, куда уж дальше!

Однако новая теория квантовой гравитации позволяет совершенно по-иному взглянуть на происхождение Вселенной и представить, что происходило не только сразу же после Большого взрыва, но и до него. Так что не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать ответ на самую жгучую загадку мироздания — что же действительно предшествовало чудовищному космическому катаклизму Большого взрыва.

Таким образом, мы можем с интересом наблюдать, как в последние годы физики упорно строят грандиозное здание обобщенной теории относительности, внутри которого старая теория Эйнштейна будет занимать лишь один из множества залов. В свое время физико-геометрические идеи Эйнштейна и его предтечи Лобачевского потрясли ученый мир новыми фундаментальными представлениями об окружающей Вселенной. Какими же удивительными должны быть выводы сверхновой, более глубокой и общей теории!

В своей замечательной книге «Этюды о симметрии» американский физик-теоретик Юджин Поль Вигнервсе наши знания по физике разделил на три уровня. Первый — сведения о различных явлениях, второй — объединяющие их законы и, наконец, третий, высший уровень — симметрии, которые устанавливают связи между самими законами.

Физики понимают симметрию как своеобразную «стойкость» материальной системы к внешнему воздействию на ее отдельные параметры. Можно говорить, например, о симметрии по отношению к пространственным сдвигам, о симметрии всех явлений природы при замене частиц на античастицы, о симметричности свойств частиц по отношению к какому-то типу взаимодействий и так далее.

Так вот, Вигнер считает, что симметрия — это самое главное, что есть в физике. И с ним трудно не согласиться. Ведь симметрии связаны с законами сохранения, на которых держится вся физическая наука. Законы сохранения устанавливают ограничения на возможные движения системы и происходящие в ней процессы. Их знание чрезвычайно важно для понимания ее свойств. Образно говоря, симметрии и законы сохранения выполняют роль железного каркаса, на котором держится здание физической теории.

В фундаменте современной физики элементарных частиц лежит теория симметрии, обессмертившая имя французского математика Эвариста Галуа.

Подобно тому как периодическая система элементов Д. И. Менделеева дает возможность предсказывать существование элементов с конкретными свойствами, теория Галуа позволяет предсказывать существование еще неизвестных свойств микрообъектов с данной симметрией. Трудно переоценить пользу такой теории! Это похоже на то, как если бы, плутая в Королевстве кривых зеркал, мы вдруг нашли волшебные очки и прихотливо изогнутый, деформированный мир приобрел бы для нас четкие формы. Открытие новых мультиплетов элементарных частиц — очень важное событие в физике, порождающее лавину экспериментальных и теоретических исследований. Это поворотные пункты в развитии физической науки, когда она получает в свое распоряжение карту нового района Страны неизвестного. Но чтобы пользоваться этой картой, сначала нужно определить на ней масштабы расстояний и высот местности, то есть своеобразным образом ее прокалибровать.

Мы уже знаем, что четыреста с лишним лет назад великий Галилео Галилей открыл замечательную симметрию двух систем координат — неподвижной и равномерно движущейся вдоль прямой линии. Физические процессы протекают в них совершенно одинаково. Находясь внутри закрытой кареты, никакими опытами нельзя установить, стоит она на месте или равномерно движется. Галилей установил эту симметрию для небольших скоростей и только для механических процессов. Других возможностей у него не было. В начале прошлого века было доказано, что данная симметрия сохраняется при любых скоростях, вплоть до самых больших, близких к скорости света, и не только для механических, но вообще для любых физических процессов.

А можно ли найти еще более общую симметрию? Теория как бы подсказывает путь ее развития — нужно только открыть еще одну симметрию, но такую общую, чтобы она охватывала все известные нам виды материи.

Мы уже знаем, что квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии. С другой стороны, физики давно уже открыли у элементарных частиц своеобразное внутреннее «вращательное» движение и назвали его спином.

Вернемся теперь к квантовой теории тяготения, которая основывается на гипотезе существования гравитона — кванта поля тяготения. Гравитон подобен фотону — это безмассовая частица, движущаяся со скоростью света. Гравитон должен проявлять свои уникальные свойства на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Поле тяготения в таких масштабах приобретает совершенно новые черты и становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и создается героическими усилиями интернационального коллектива физиков многих стран. Однако главным препятствием для развития этой замечательной теории остается отсутствие надежных экспериментальных данных.