Олег Фейгин - PRO парадоксы науки

Б. Паркер.

Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной

Среди первоочередных нерешенных задач фундаментальной науки выделяется грандиозная проблема создания Теории Всего. Величайший в истории науки мыслитель Альберт Эйнштейн первым парадоксально соединил пространственно-временные свойства нашего континуума, открыв свою общую теорию относительности и наметив путь объединения всех известных взаимодействий с силами всемирного тяготения. В теории гравитации Эйнштейна вблизи любого материального тела или энергии искривляется само пространство-время, так что траектории частиц проходят по его рельефу, словно движутся в гравитационном поле.

В большинстве случаев противоречивые требования теории относительности и квантовой механики настолько взаимно малы, что ими легко пренебрегают. Однако и здесь есть исключения, например, при сильном искажении пространства-времени эффекты квантовой гравитации могут быть весьма существенны.

Прежде всего это касается объединения квантовой механики и теории относительности, например так, как это происходит в астрономической науке квантовой космологии. В идеале будущая объединенная теория должна связать между собой все силы мироздания с помощью единой системы уравнений или даже просто одного уравнения. Вся трудность в том, что теория относительности описывает общую структуру пространства-времени, а квантовая механика – поведение субатомных микрочастиц. Именно поэтому теории во многом противоречат друг другу.

После первого шага в объединении всех частиц и сил в квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности, будет необходимо как-то связать гравитацию и квантовую механику. Каждый специалист видит здесь свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для разработки математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.

Мемориал Альберта Эйнштейна (Национальная академия наук, Вашингтон, США)

Изначально в тех же струнных моделях видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. Но будущее научных поисков трудно прогнозируемо, и в конце прошлого века суперструнные построения в работах видных физиков-теоретиков обрели второе дыхание.

Как любил подчеркнуть выдающийся физик прошлого столетия Ричард Фейнман, главная причина в том, что мы пока не знаем всех законов природы, которые можно было бы свести в единую теорию.

Нерешенная задача создания Теории Всего порождает вполне законный вопрос: а есть ли вообще шансы хоть в очень далеком будущем, когда станут известны новые законы природы, создать математически стройную теорию, объединяющую не только все известные частицы и силы, но и все существующие физические теории? Ответ на него совсем неочевиден, его нельзя отдавать философам, которые могут все окончательно запутать.

Большинство физиков скромно рассматривают свои любимые теории как не более чем модели реальности, не претендующие на полноту ее описания.

Выдающийся физик-теоретик Стивен Хокинг в своем научном бестселлере «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» так описывал квантовую реальность нашего мира:

Основными объектами микромира сегодня выступают не частицы, занимающие всего лишь точку в пространстве, а некие структуры вроде бесконечно тонких кусочков струны, не имеющих никаких измерений, кроме длины. Концы этих струн могут быть либо свободны (так называемые открытые струны), либо соединены друг с другом (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени представляется одной точкой в пространстве. Следовательно, ее историю можно изобразить линией в пространстве-времени (мировая линия). Но струне в каждый момент времени отвечает линия в трехмерном пространстве. Следовательно, ее история в пространстве-времени изображается двумерной поверхностью, которая называется «мировым листом». (Любую точку на таком мировом листе можно задать двумя числами, одно из которых – время, а другое – положение точки на струне.) Мировой лист открытой струны представляет собой полосу, края которой отвечают путям концов струны в пространстве-времени. Мировой лист замкнутой струны – это цилиндр или трубка, сечением которой является окружность, отвечающая положению струны в определенный момент времени.

Из суперструнной теории следуют и удивительные космологические выводы, так, если проигрывать историю Вселенной назад, то кривизна пространства-времени будет расти. Однако она не станет бесконечной, как в традиционной сингулярности Большого взрыва, а просто в определенный момент времени ее значение достигнет максимума и снова начнет уменьшаться. Окружающий нас физический вакуум, будучи сугубо квантовым объектом, непрерывно флуктуирует, порождая топологические аномалии – «пузырьки пространства-времени», которые рождаются и гибнут. Внутри каждого такого пузырька можно ввести понятие собственного времени, направление которого фиксирует эволюцию материи внутри от момента рождения и до момента «схлопывания». Подавляющая доля таких пузырьков, несмотря на сверхмалое время жизни, внешне проявляет себя как замкнутые миниатюрные вселенные.

Струнная текстура реальности

Первично устойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька) стало неустойчивым по отношению к нашей вселенной. Эта неустойчивость приводит к тому, что внутри пузырька вакуум начинает изменять свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума сопровождается гигантским выделением энергии, в результате чего пузырек-вселенная начинает расширяться с колоссальной скоростью. Этот процесс можно интерпретировать как своеобразный взрыв вакуума – взрыв пустоты!