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

Трудность с лишними пространственными измерениями была главной причиной подозрительного отношения физиков к идее Калуцы. Первую серьезную попытку справиться с ней предпринял шведский теоретик Оскар Клейн. По его мнению, четвертое пространственное измерение, постулированное Калуцей, существует реально и не ощущается нами лишь потому, что мир в этом направлении имеет микроскопически малый радиус, то есть представляет собой крошечную замкнутую окружность. Если бы мы могли двигаться в этом направлении, мы бы сразу же вернулись в исходную точку.

Хотя мысль о высших пространственных измерениях — неподтвержденная экспериментом гипотеза, в глазах физиков она выглядит весьма убедительной. Она обещает отрубить головы дракону бесконечностей, она как нить Ариадны ведет физиков к последовательной и самосогласованной теории вещества и поля. Трудно даже подумать, что столь плодотворная идея может оказаться всего лишь временной теоретической химерой.

Вспомним, что такое заряженный конденсатор, — это две металлические пластины и слой электрических силовых линий между ними. Если пластины раздвинуть на расстояние, много большее их размеров, слой превратится в жгут силовых линий.

Он обладает определенной упругостью, и его можно назвать электрической полевой струной. Подобная же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками. С помощью мелких железных опилок ее можно сделать видимой и убедиться в том, что, будучи отклоненной в сторону, она упруго восстанавливает свою форму.

Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны — стринги глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн — весьма распространенное явление в мире элементарных частиц.

Стринги могут разрываться и слипаться, рождая дочерние и внучатые стринги. При этом образуются замкнутые струнные кольца и более сложные переплетающиеся фигуры. Стринги — объекты с очень сложной геометрией. Но самое важное состоит в том, что подобно тому, как это происходит со струной гитары, в них могут возбуждаться колебания — различные полевые обертоны. И так же, как звуковые волны, эти обертоны отделяются от колеблющейся струны и распространяются в виде волн в окружающем вакууме.

Интересно, что поначалу большинство физиков встретили новую теорию с недоверием. Избавив их от бесконечностей, она принесла с собой другой страшный порок: в ней появились тахионы и духи. Тахионы — это частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света. Таких частиц никогда никто не наблюдал ни прямо, ни косвенно. А если бы они были и, как предсказывала новая теория, могли разлетаться на большие расстояния, это порождало бы массу поразительных явлений, которые никогда не наблюдаются. Еще хуже для здравого смысла так называемые духи. Объяснить, что это такое, в обиходных терминах и понятиях просто невозможно, да и сами теоретики склоняются к мнению, что это понятие попало в нашу физику явно из «другой» вселенной.

Физика во многом сложилась как экспериментальная наука, и лишь прошлый век дал импульс развитию ее теоретической части. С течением времени физические эксперименты становились все более сложными и дорогостоящими, поэтому физикам все чаще приходилось извлекать скрытый смысл из природных явлений с помощью математических абстракций. Впрочем, довольно скоро, на протяжении второй половины прошлого столетия, физико-математический авангард теоретиков настолько сильно оторвался от основной массы исследователей, что практически потерял с ними связь. Однако при этом данная группа ученых встретилась уже со своими коллегами — математиками, решающими с помощью математических моделей различные реальные задачи, и вместе с ними ринулась на покорение следующих вершин науки.

Хотя мы часто говорим о смелости научной мысли и беспредельном полете фантазии, наши идеи, даже самые фантастические, по существу, не слишком уж далеко выходят за пределы привычного нам мира. Это проявляется и в теоретической физике, несмотря на всю необычность ее современных представлений. Например, многомерные миры в каких-то отношениях мыслятся как нечто весьма похожее на нашу четырехмерную Вселенную, только с большим числом координат. В одной из своих статей знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг иронически заметил, что такие представления сродни уверенности в том, что при любом контакте с космическим разумом мы встретим если не зеленых человечков, то что-нибудь похожее на жука, осьминога или какое-либо другое земное существо.

Хромосомы мира

В середине семидесятых годов прошлого века физики пришли к мысли о том, что если в природе существуют еще более мелкие объекты, чем глюоны и кварки, то они тоже должны быть связаны струнами, которые не дают им разойтись на большие расстояния и делают их, подобно кваркам и глюонам, вечными пленниками внутри самих кварков и глюонов. Их стали называть стрингами («стринг» — по-английски «струна»). Вскоре выяснилось, что такие жгуты напряженного поля могут существовать и сами по себе — как независимые «хромосомы мира».

Следы темной материи и энергии

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

«Темные гравиконцентраты» и первые галактики

«Темные века» Вселенной закончились формированием гравитационных зерен светящейся и темной материи, из которых впоследствии возникли первые галактики.

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием в Мегагалактике некой скрытой массы, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и теорфизиков (иногда к ним присоединяются и философы) не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи. Особенно сильно полемика о составе и роли темной материи во вселенских процессах разгорелась в последнюю четверть ушедшего века, когда ряд астрономов подвергли детальному изучению динамику вращения гигантских спиральных галактик. Вот тут выяснился еще один космический парадокс, на первый взгляд нарушающий законы небесной механики. Дело в том, что сравнительно высокая скорость вращения (по космическим меркам) должна была бы превратить «звездные острова» Метагалактики в своеобразные галактические центрифуги, выбрасывающие массы легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих паутиной окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некого пространственного галактического «твердого тела», «цементируемого» гравитацией темной материи ( рис. 26цв. вкл.).