Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В 2017 году существовал лишь один кандидат на звание более глубокой теории, соответствующей всем ограничениям, — теория струн. [257] Альтернативный и более консервативный подход к поиску более глубокой теории гравитации называется теорией петлевой квантовой гравитации (см. Smolin L. Three Roads to Quantum Gravity. — London: Basic Books, 2002). Эта теория описывает гравитацию на квантовом уровне, но не пытается объединить её с другими видами взаимодействия. Кроме того, ещё не было доказано, что в макромасштабе она ведёт к общей теории относительности.

Теория струн, также известная как теория суперструн, возникла в результате попытки понять, что собой представляет сильное ядерное взаимодействие. Сильным его называют не просто так. Для того чтобы оторвать два кварка друг от друга, требуется столько энергии, что в пространстве между ними при этом спонтанно возникает пара «кварк–антикварк». Представьте себе, что вы пытаетесь подойти к другу в толпе, но между вами постоянно втискиваются другие люди. Вот так чувствуют себя кварки. Сильное ядерное взаимодействие удерживает их в границах протонов и нейтронов в атомных ядрах и делает выделение единичного кварка невозможным. [258] Кварки могут иметь одну из двух строго определённых конфигураций. Три кварка составляют барион (ими являются, например, протоны и нейтроны), а пара «кварк–антикварк» называется мезоном. Кварки удерживаются в границах барионов и мезонов только при низком уровне энергии. Если уровень энергии высок, как, например, был при Большом взрыве, они разрываются и формируется аморфная кварк-глюонная плазма.

Что странно в сильном ядерном взаимодействии, так это то, что оно растёт по мере увеличения расстояния между кварками. Сравните его с силой притяжения (чем дальше два массивных тела друг от друга, тем гравитация слабее) или магнетизмом (если увеличить расстояние между магнитами, он тоже ослабнет). Причина размывания этих сил в том, что они распространяются во всех направлениях. [259] Поскольку гравитация действует во всех направлениях, на расстоянии r от массивного тела она распространяется по площади сферы 4π r 2 и, соответственно, уменьшается на 1/4π r 2 . На этом основании действует закон обратных квадратов. Но в том случае, если сила ограничена узким каналом между двумя телами, она действительно может расти по мере их расхождения, как при растяжении пружины или резиновой ленты. [260] Именно это и происходит с магнитным полем внутри суперпроводника — материала, охлаждённого до такой температуры, при которой исчезает его естественное электрическое сопротивление. Внутри материала магнитное поле заключено в узкие каналы, называемые силовыми трубками. Точно так же это работает и в случае сильного ядерного взаимодействия между кварками. И это их поведение стало первым признаком того, что фундаментальные строительные блоки Вселенной могут быть похожи не на крошечные точки, а на одномерные энергетические струны.

В данной теории, пионером которой в 1968 году стал итальянский физик Габриэле Венециано, эти струны вибрируют, как на музыкальном инструменте, и каждая вибрация соответствует определённой фундаментальной частице. [261] Veneziano G. Construction of a crossing-symmetric, Regge behaved amplitude for linearly rising trajectories // Nuovo Cimento A. — 1968. — Vol. 57. — P. 190. Теория Венециано, называющаяся дуально-резонансной моделью, позднее превратилась в теорию струн. «По сути, теория струн описывает пространство и время, массу и энергию, гравитацию и свет, всё Божье творение как музыку», — говорит писатель Рой Х. Уильямс. [262] Williams R. H. String Theology. — 31 July 2006 ( http://www.mondaymorningmemo.com/newsletters/string-theology/ ).

Быстро вибрирующая скрипичная струна имеет больше энергии, чем вибрирующая медленно. Соответственно, суперструна с быстрой вибрацией соответствует субатомной частице с высоким значением массы-энергии, например топ-кварку, а с медленной вибрацией — с низким, например электрону. Однако из-за сложности математических вычислений физики не могут быть до конца уверены, что все возможные типы вибраций соответствуют всем известным фундаментальным частицам.

Струны могут быть либо разомкнутыми, либо кольцеобразными, и эта конфигурация определяет их взаимодействие с другими струнами.

Теория струн автоматически соотносит каждую частицу с полуцелым спином (частицу-переносчицу) с частицей с целым спином (материей) и наоборот. Именно потому, что она включает в себя суперсимметрию, эта теория называется теорией суперструн. Как уже говорилось, учёным ещё не удалось обнаружить ни одного суперпартнёра существующих частиц, хотя приверженцы теории струн полагают, что они просто слишком массивны, чтобы их можно было получить в БАК.

Теория струн устраняет потенциальный конфликт между двумя важнейшими идеями физики: редукционизмом и унификацией. Первая концепция предполагает, что все явления в мире происходят в результате взаимодействия небольшого количества фундаментальных строительных блоков (в Стандартной модели — кварков и лептонов). Вторая утверждает, что несхожие природные явления представляют собой лишь разные грани одного фундаментального процесса, например электрическое и магнитное поля являются всего лишь аспектами единого электромагнитного поля.

Редукционизм, доведённый до логического завершения, должен продемонстрировать, что всё во Вселенной состоит из элементов одного типа. Но если такой строительный блок действительно фундаментален, то есть не имеет составляющих, которые можно поменять местами, как он может иметь разные аспекты? Это невозможно, если речь идёт о частице, похожей на точку, но допустимо, если такой блок представляет собой одномерную струну, способную на множество типов колебаний. Соответственно, конфликт между редукционизмом и унификацией исчезает.

Фундаментальные частицы не просто имеют определённые массы, которые можно соотнести с частотой вибрации струны. Они также взаимодействуют друг с другом с помощью фундаментальных сил. В 1915 году Эйнштейн продемонстрировал, что сила притяжения — это лишь проявление искривления четырёхмерного пространства-времени, а в 1920-х годах два физика решили развить эту идею. Независимо друг от друга Теодор Калуца и Оскар Клейн доказали, что если бы пространство-время имело ещё одно, пятое пространственное измерение, то последствиями его искривления могли бы быть и гравитация, и электромагнетизм. Наличие такого измерения совсем не очевидно, но, по словам учёных, мы могли его не заметить, если оно не похоже на направления вперёд-назад, вверх-вниз и влево-вправо, а свёрнуто до субатомных размеров.

Согласно схеме Калуцы и Клейна, даже когда субатомная частица находится в покое в обычном пространстве, в пятом измерении она вращается по кругу, как сумасшедшая белка в колесе. Момент этого вращения и является электрическим зарядом. А причина того, что электрический заряд проквантован, то есть состоит из множества базовых частиц, заключается в том, что частицы ведут себя как волны. При этом единственно допустимыми являются те волны, длина которых позволяет им обернуться вокруг пятого измерения один, два, три раза и так далее. Такие волны в обязательном порядке имеют момент (заряд), кратный моменту (заряду) самой длинной из допустимых волн.