Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

По мнению профессора Хокинга теория струн многое обещает нам в будущем. Она надеется окончательно объединить все силы природы, выработать новые концепции пространства и времени, разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это амбициозные цели, и на их осуществление может уйти много времени. Хокинг считал, что потребуется революция в наших представлениях о пространстве и времени. Он предсказывал, что теория струн продолжит углубляться в различные области теорфизики.

Главная проблема опытного подтверждения теории струн в ее сверхмалом содержимом, для экспериментов с которым требуется колоссальная энергия ускорителей элементарных частиц и чувствительность их детекторов. Правда, в последнее время появился ряд интересных предложений об использовании в опытной проверке теории струн поразительного явления квантовой запутанности. Дело в том, что «запутанные» квантовые частицы вроде бы могут «телепатически» мгновенно реагировать на изменение состояния друг друга. Сразу заметим, что основы теории относительности здесь не разрушаются, поскольку ни материя, ни информация при этом со сверхсветовой скоростью не передаются.

Это очень необычное явление в квантовом мире было многократно проверено в ряде довольно тонких опытов, и на его основе даже возникла новая прикладная наука — квантовая информатика с криптографией, живущая в ожидании появления фантастических по своим качествам компьютерных систем и линий связи.

В принципе, даже неважно, какая дистанция разделяет сцепленные квантовые частицы, — при изменении состояния одной из них меняется состояние другой. Это явление получило громкое, но маловразумительное название из научно-фантастических произведений: «квантовая телепортация». Есть тут и сомнения в правильности интерпретации экспериментальных методик, но в целом об этом замечательном квантовом эффекте можно рассказывать очень много и долго, поэтому наиболее любознательным читателям стоит порекомендовать книгу автора «Просто квантовые чудеса» ( СПб: Страта, 2018 ).

Итак, может ли теория струн, а точнее — ее самое развитое и расширенное толкование — М-теория, претендовать на объединение идей теории относительности и квантовой механики, и стать шагом к окончательной и долгожданной «Теории Всего»?

Несмотря на бурное развитие теории струн в последние десятилетия, она пока еще остается чисто теоретической конструкцией. Никто и никогда не только не поставил ни единого эксперимента, но и, по большому счету, не знает, как к этому подступиться… Так что, в отличие от той же теории относительности или квантовой механики, М-теория является сугубо умозрительным построением или чистой воды научной спекуляцией, правда, снабженной весьма солидным математическим аппаратом.

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.

В данной ситуации казалось, что моделям ПКГ и М-теории суждено остаться чисто умозрительными построениями. До этого физики-теоретики много раз пытались создать основы квантовой версии релятивистской гравитации, опираясь на то, что уравнения теории Эйнштейна предсказывают существование гравитационных волн, и переносчиков сил тяготения — гравитонов. При этом теория предсказывала, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот, в 70-х годах прошлого века появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели и сопоставлялась с гравитоном! Отсюда следовало, что теория струн — это математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения, и ее основная задача — объединить все фундаментальные взаимодействия в Теории Всего.

Надо честно признать, что, несмотря на прогнозы о близости окончательной победы над тайнами строения фундамента Мироздания, заполняющие научно-популярные журналы, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран, это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

При этом математические формулы, описывающие поведение, скажем, трех квантово-сцепленных частиц, весьма напоминают описание определенного класса коллапсаров в М-теории. Хокинг всегда убеждал, что подобное сходство никак не является простым совпадением и наверняка отражает что-то очень важное в основе Мироздания. Трудно сказать, насколько сбудутся оптимистичные прогнозы, и струнным теоретикам посчастливится открыть некую чрезвычайно важную деталь Великого Объединения. Но даже после смерти главного автора идеи определенные надежды сохраняются…

Читая в Британском музее общедоступный цикл лекций об истории современной науки, Хокинг начинал рассказ о квантовой механике с вопроса, которым философы-метафизики задавались еще два с половиной тысячелетия назад: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы у подобного измельчения и каковы наименьшие размеры могут быть у частицы вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем. Здесь можно вспомнить удивительное суждение греческого философа Анаксагора, утверждавшего в V веке до н. э., что в каждой частице, какой бы малой она ни была, есть города, населенные людьми, обработанные поля, светит солнце, луна и другие звезды.

В те далекие времена это вызывало только насмешки большинства, ведь и сейчас трудно согласиться с подобными утверждениями и вместить масштабы нашего мира в ничтожно малый объем атомов или даже элементарных частиц. Ведь масштабы видимой Вселенной — Метагалактики — завораживают. В одном нашем Млечном Пути насчитывается порядка 200 миллиардов звезд, а ведь подобных галактик десятки миллиардов! Неудивительно, что сопоставить сверхбольшое сверхмалому даже умозрительно очень трудно.