Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Альберт Эйнштейн умер около сорока лет назад, так и не осуществив свою мечту – построить единую теорию, описывающую Вселенную в целом. Последние десятилетия жизни он посвятил поискам такой теории, которая объясняла бы всё – от элементарных частиц и их взаимодействий до глобальной структуры Вселенной. Несмотря на огромные усилия, Эйнштейна постигла неудача, потому что для решения этой задачи ещё не пришло время. Тогда ещё практически ничего не было известно ни о чёрных и белых дырах, ни о сингулярностях, Большом взрыве и ранней Вселенной, ни о кварках, калибровочной инвариантности, слабых и сильных взаимодействиях. Теперь ясно, что все эти явления имеют отношение к единой теории, что такая теория должна объять и объяснить их. В каком-то отношении сегодня наша задача гораздо сложней, чем та, которую поставил перед собой Эйнштейн. Но учёные – упорные люди, и сейчас им удалось подойти почти вплотную к желанной и манящей цели, сделать важные открытия. В книге мы познакомимся как с этими открытиями, так и с наиболее современными теориями – супергравитации, суперструн, теориями великого объединения, твисторов и др. Однако чтобы понять задачу, придётся начать с самого начала.

В первой части книги будет рассказано об общей теории относительности Эйнштейна и о Вселенной в целом, т.е. речь пойдёт о макрокосмосе. Затем мы перейдём к микрокосмосу – миру частиц – и рассмотрим, каких успехов удалось добиться в этой области. Наконец, в последней 5 части мы обратимся к современным единым теориям поля.

Хотя математики в книге нет вовсе, обойтись без больших чисел никак нельзя. Вместо того чтобы выписывать их полностью, я использовал запись с показателем степени, которую применяют учёные. При такой записи число 10000 выглядит так: 10 4, показатель степени указывает количество нулей после единицы. Для дробных чисел используются отрицательные степени, например, 1/1000 записывается как 10 -3.

Не помешают, видимо, несколько слов об используемой температурной шкале. Это шкала Кельвина (обозначается буквой K после числа); за нуль в ней принята самая низкая температура во Вселенной (по шкале Цельсия это -273°), а температура кипения воды равна 373 K.

Наконец, я хотел бы поблагодарить Линду Гринспэн Риган за тщательное редактирование текста и многие полезные замечания. Выражаю также признательность Сандре Карнахэн за отличные схемы и графики.

Красота и величие тёмного ночного неба всегда волнуют нас. Каждое светящееся пятнышко на нём – образ звезды, её свет, который давно, может быть задолго до нашего рождения, оторвался от светила. Человеку трудно представить себе необъятные просторы Вселенной; протекающие в ней сложные и мощные процессы приводят нас в трепет. Свет от некоторых видимых объектов шёл к Земле миллионы лет, а ведь расстояние от нас до Луны тот же луч света преодолевает меньше чем за две секунды.

Снимок Млечного Пути в направлении его центра, сделанный широкоугольным объективом

Наша Земля – всего лишь песчинка, затерявшаяся в бескрайнем пространстве, одна из девяти планет, обращающихся вокруг неприметной жёлтой звезды, называемой Солнцем. И всё же наша планета единственная в своём роде: ведь только на ней существует разумная жизнь. При виде звёзд (а каждая из них может оказаться солнцем) мы всегда задумываемся – нет ли и там жизни?

Наше Солнце – одна из примерно 200 миллиардов звёзд местного скопления – Галактики, которую мы называем Млечным Путём. На фоне тёмного неба Млечный Путь кажется едва заметной серебристой полоской, протянувшейся от края до края. Если бы можно было выбраться за пределы Галактики и взглянуть на это скопление звёзд со стороны, мы увидели бы размытый диск с утолщением в центре и спирально расходящимися рукавами. Наше Солнце расположено в одном из таких рукавов на расстоянии около 3/5 от центра.

В нашей Галактике большинство звёзд – обычные светила наподобие Солнца, но некоторые звёзды поражают воображение. Одни из них медленно пульсируют под воздействием волн, которые поднимаются из глубины и заставляют поверхность сжиматься и расширяться; другие пульсируют так быстро, что наш глаз этого не замечает. Третьи – сверхновые – взрываются с ошеломляющей силой, за считанные часы их яркость невероятно возрастает, во все стороны разлетаются гигантские газовые языки. Следы такого взрыва наблюдаются в Крабовидной туманности, где 970 лет назад (по земному времени) взорвалась сверхновая звезда, остатки которой продолжают расширяться.

Остатки старых сверхновых – облака газа, называемые туманностями, можно видеть во многих участках неба. Миллионы лет тяготение стягивает эти облака газа, обогащённые после взрыва атомами тяжёлых элементов, в новые звёзды. Через миллионы лет некоторые из этих звёзд в свою очередь взорвутся и дадут жизнь новому поколению звёзд. Таков цикл развития Вселенной – старые звёзды взрываются, и из их остатков образуются новые. Поколение от поколения отделяют миллионы лет, для нас это вечность, хотя Вселенная в своём нынешнем виде не вечна – она не будет существовать бесконечно, она когда-то появилась и когда-нибудь ей придёт конец. Из современных теорий следует, что Вселенная появилась около 20 миллиардов лет назад в результате грандиозного взрыва. Когда и как она прекратит своё существование, пока не ясно, но конец наступит.

Как уже упоминалось ранее, изображение удалённых объектов позволяет судить лишь о том, как они выглядели, когда их покинул наблюдаемый сейчас свет. Чем дальше объект, тем старше его изображение. Это значит, что, наблюдая в телескоп Вселенную, мы, по сути, вглядываемся в прошлое. Сегодня мы видим галактики такими, какими они выглядели миллионы лет назад. В начале 20-х годов сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон Эдвин Хаббл начал изучать эти галактики. Через несколько лет он сделал открытие, поразившее и озадачившее астрономов. Оказалось, что все галактики, за исключением нескольких, расположенных в нашей местной группе, удаляются от нас; причём чем больше расстояние, тем выше скорость разлёта. Значит, Вселенная расширяется!

Туманность Андромеды, спиральная галактика, подобная нашему Млечному Пути

Заглядывая всё дальше в глубь Вселенной, мы видим, что многие галактики не похожи на нашу – они находятся в состоянии хаоса. В них бушуют невероятные силы, отдирающие звёзды одну от другой и выбрасывающие их на периферию; при этом генерируются радиоволны, которые мы регистрируем на Земле. По сути, это взрывающиеся галактики, которые носят название радиогалактик. Ещё дальше находятся квазары – объекты, которые остаются загадкой, хотя их активно исследуют уже 20 лет. Они излучают такое количество энергии, что по мощности их можно сравнить с крупными радиогалактиками, однако по остальным признакам они невелики – не больше звёзд-супергигантов. Они так малы и далеки от нас, что непонятно, как их вообще можно увидеть.