Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

Попытки Эйнштейна, о которых говорит Садам, — это 35-летний труд величайшего из физиков, направленный на объединение гравитации и электромагнетизма путем «геометризации» взаимодействий.

У Эйнштейна были различные подходы. Одно из направлений было связано с отказом от мероопределения Римана и переходом к более общим, неримановым геометриям. Другое направление, и оно стало главным, было связано с введением пятого измерения в римановой геометрии.

Уже говорилось о пятимерных теориях Калуцы и Клейна, о переписке Эйнштейна и Калуцы, из которой видно, что Эйнштейн восхищался идеей Калуцы, но высказывал определенные сомнения. Эти сомнения привели к тому, что работа Калуцы в течение двух лет не отсылалась в печать, Эйнштейн в нее просто не поверил. Письма Калуцы не сохранились, но из ответов Эйнштейна (пять его писем и открытка с корабля сохранились у сына Калуцы) видно, что в дискуссии с Эйнштейном Калуца ничего не менял в своей теории, а лишь убеждал Эйнштейна в правильности своего подхода, и Эйнштейн понял. В 1926 г. появилась работа О. Клейна, в которой, используя идею квантового подхода, он развивает теорию Калуцы.

Мы не будем говорить о дальнейшей судьбе этих работ, так же как и о судьбах работ самого Эйнштейна, Эйнштейна и Бергмана, о пятиоптике Румера и о множестве других работ по пятимерному обобщению. Интерес к этим работам постепенно угас. Слишком волнующими были результаты исследований ядра, элементарных частиц и их взаимодействий. Эти результаты открыли физикам так много, что на повестку дня (ирония судьбы) встал вопрос той самой программы, о которой говорил Салам. Программы, которая должна включить не только продолжение попыток Эйнштейна (добавим к этому — попыток Калуцы, Клейна, Румера, Йордана и многих других), но включить в эту схему сильное и слабое взаимодействия. И снова возникла необходимость в многомерных обобщениях. И снова произошел возврат к мечте Римана связать силы природы с кривизной нашего пространства.

И снова цитируются работы Эйнштейна и Бергмана, Калуцы и Клейна, Румера и Йордана, работы тридцати-, сорока-, пятидесяти- и более чем шестидесятилетней давности. Выходят даже книги с очень смелыми заглавиями, например «Единые теории поля более чем четырех размерностей» с подзаголовком «Включая точные решения». К этому подзаголовку никто не может остаться равнодушным, он вызывает неизменную улыбку. Никаких точных решений, связанных с многомерными обобщениями, кроме сугубо математических, пока нет. Но есть очень заманчивые идеи. Есть, например, попытки объединить все заряды — гравитон (квант гравитационного поля), фотон, промежуточные векторные бозоны и глюоны — в один заряд, связанный с кривизной одиннадцатимерного пространства.

Но мы-то знаем, что наш мир четырехмерен — высота, длина, ширина и время. Что же стало с остальными размерностями, как они проявляются, как представить себе одиннадцатимерное пространство, если оно и вправду одиннадцатимерное? И здесь нам не миновать вопроса о том, как соединилось «самое малое» и «самое большое», как тесно связаны сегодняшние проблемы физики элементарных частиц и космологии.

В стандартной космологической модели биография нашей Вселенной начинается с так называемого планковского времени, когда Вселенной было 10 –43 с от роду. Более ранние мгновения находятся за пределами теории гравитации. Спустя 10 –43 с после Большого Взрыва наша Вселенная была крохотным раскаленным шариком, размеры которого представить себе невозможно: диаметр шарика был равен так называемой длине Планка, 10 –33 см. Температуру шарика, 10 32градусов, тоже невозможно себе представить. Эта температура соответствует энергии Планка 10 19 ГэВ. Плотность нашей Вселенной в это мгновение должна была составлять 10 90 кг/см 3— это бесконечность.

К этому моменту не было никаких зарядов, ни ядерных, ни электрослабых, а были лишь, сильные эффекты квантовой гравитации и был один заряд, соответствующий этому невообразимому гравитационному полю. И если был этот заряд, то, возможно, он был связан с кривизной столь же невообразимого одиннадцатимерного пространства. Спустя мгновение, когда Вселенной исполнилось 10 –35 с, она расширилась настолько, что температура ее упала на пять порядков (в сто тысяч раз), и родившиеся к этому времени кварки стали уже взаимодействовать. Соответствующая этому моменту энергия — порядка 10 14 ГэВ. При этой энергии вступает в игру сильное взаимодействие и начинается синтез кварков, рождаются адроны, до бозонов и электронов еще далеко. По мере дальнейшего расширения Вселенной (пока мы находимся в адронной эре, понятие «по мере» соответствует тысячным долям секунды, масштаб времени пока еще очень плотный) вступают в силу слабые взаимодействия — начинается радиоактивный распад (например, распад свободных нейтронов на протоны, электроны и нейтрино), начинается лептонная эра. Когда возраст Вселенной приблизился к одной секунде, характерные энергии упали до 10 –3 ГэВ, рождение нейтронов становится затруднительным, но их энергии еще очень велики, чтобы они вступили в реакцию с протонами. Когда Вселенной исполнилось 100 с, энергия упала до 10 –4 ГэВ и начался синтез ядер, начинается эра гелия. С этого момента временнáя шкала сильно растягивается. Вселенная представляет собой «бульон» из ядер гелия, дейтерия, свободных электронов и нейтрино. Этот бульон эволюционирует уже очень медленно. Лишь спустя 106 лет, когда Вселенная расширилась настолько, что характерные энергии упали до 0,1 эВ (всего тысяча градусов), начинается образование атомов и вещество отделяется от излучения, от фотонов.

После этого начинается медленный процесс, который к 10 10лет после Большого Взрыва привел к образованию звезд и галактик, в том числе к образованию нашей галактики, нашей Солнечной системы, нашей Земли.

Пока модель Большого Взрыва работает хорошо, и в пользу этой модели есть свои космологические доказательства. Есть и трудности, но есть и неопровержимые факты. А теперь вернемся снова к мгновению 10 –43 с.

Сразу же после этого мгновения, как только Вселенная превысила планковский размер 10 –33 см, как только появились кварки и началось взаимодействие между ними, одиннадцатимерное пространство с его единственным зарядом сильной квантовой гравитации изменилось: семь размерностей пространства компактифицировались, скрутились в кольцо радиусом 10 –83 см.

С этого момента и по сегодняшний день мир воспринимается четырехмерным. Только лишь воспринимается, а в действительности он одиннадцатимерен, но лишь на таком недостижимо малом размере, как 10 –33 см!

Это примерно так же, как мы заболеваем гриппом, подхватив где-то вирус. Мы не можем видеть вирус невооруженным глазом, зато можем увидеть его в микроскоп, а электронный микроскоп открывает в вирусе целый мир. Ускорители — это те же микроскопы для изучения элементарных частиц. При обнаружении W -бозонов мы наблюдали события, происходящие на расстояниях 10 –16 см (радиус действия слабого взаимодействия), т. е. сегодня мы «видим» этот масштаб. Для этого, как уже говорилось, понадобились энергии порядка 100 ГэВ. Для того чтобы различить события, происходящие на расстояниях 10 –33 см, нам потребуется энергия 10 19 ГэВ — энергия Планка. По поводу одиннадцатимерной теории Салам в одной своей лекции выделил курсивом слова: « Если эта теория верна, то, возможно, мы очень близки к окончательной, полной унификации всех сил… причем фундаментальные заряды оказываются в ней проявлениями скрытых размерностей пространства !» [Там же, с. 201].