Дэйв Голдберг - Вселенная. Руководство по эксплуатации

Неважно, кто вы — «крепкий орешек» от физики или всего лишь любитель, который краем уха прислушивается к новостям с передовой науки, — наверняка вы что-то слышали о так называемой теории струн. Теория струн разработана для того, чтобы объяснить несколько загадочных явлений, о которых мы до сих пор намеренно не упоминали [75] Миссис Этель Кранцтон (81 год), няня из города Белдинга в штате Мичиган, независимо разработала теорию струн, чтобы объяснить безобразные узлы, образующиеся с изнанки ее вышивок. Рукодельницы всего мира с восторгом приняли идею миссис Кранцтон, однако ученые отвергли ее как «путаную и неряшливую». .

Дело в том, что сила тяжести радикально отличается от остальных трех фундаментальных сил во Вселенной.

Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия требуют частицу-переносчик, и в каждом случае мы экспериментально обнаружили эти частицы. Однако теория гравитации — общая теория относительности — не просто не нуждается в гравитоне: до сих пор ученые никакого гравитона не обнаружили. Более того, странно, что теория, стоящая за материальными частицами (кварками, электронами и так далее), так сильно отличается от теории переносчиков взаимодействия (фотонов, глюонов и им подобных). Нам было бы очень приятно, если бы нашлась теория унификации, в идеале — «Теория Всего» (или ТВ, как говорят самые крутые пацаны).

Теория струн, несмотря на свою незавершенность, — главный претендент на роль ТВ, а ее центральный нападающий, как вы, наверное, уже поняли, — так называемая струна. Представьте себе струну как резинку — только очень тоненькую, диаметром в 10 -35м. И что же это за струны? Вообще говоря, они составляют все сущее.

Вы должны понимать, что стандартная модель полагает, будто все частицы, о которых мы говорили в этой главе, — кварки, электроны, фотоны и так далее — бесконечно малы. Это точки в буквальном смысле слова. Стандартная модель не объясняет, почему у одной частицы одна масса и заряд (и прочие свойства), а у другой — другие.

Теория струн говорит, что единственная причина, по которой частицы выглядят как точки, — то, что мы к ним недостаточно пристально присматриваемся. На самом деле «точечные частицы» — это крошечные петли, которые постоянно вибрируют. Если вам это что-то смутно напоминает, так и надо. Именно это мы наблюдали в квантовой механике, когда видели, что все что угодно — фотоны, электроны, вакуумные поля — постоянно осциллирует, колеблется туда-сюда.

Чем сильнее струна вибрирует, тем она массивнее — не забывайте, что равенство Е = mc 2 справедливо в обе стороны. Другие свойства осцилляции определяют все остальные свойства и качества частицы. Чтобы объяснить все свойства частиц, которые мы наблюдаем, предполагается, что струны вибрируют не только в тех трех измерениях, о которых нам известно в нормальной жизни. Это не значит, что струны не существуют, — это значит, что нам нужно больше измерений.

Поймите нас правильно. Мы не можем переместиться в более высокие измерения. Для начала нас там сплющит. Многие, если не все, дополнительные пространственные измерения очень малы — гораздо меньше» чем мы сможем обнаружить в БАК. Даже если бы мы умудрились придумать, как отправиться в эти скрытые измерения, они повели бы себя примерно как вселенная Пакмана [76] Эх вы, желторотые! «Пакман» — это такая обалденная видеоигра 1980-х годов, в которой желтый круг с пастью пожирал маленькие белые кружочки. Если он исчезал в туннеле в левой стороне экрана, то появлялся справа. Еще там были привидения. , и мы мгновенно вернулись бы туда, откуда начали.

Привести теорию струн в соответствие с законами физики в нашей Вселенной, опираясь только на три измерения, никак не удается. Теории возникали одна за другой, количество потенциальных измерений росло и росло, и наконец в 1995 году Эдвард Уиттен из Института передовых исследований в Принстоне предложил нынешнего фаворита. По его версии, так называемой М-теории, мы живем в здоровенной вселенной аж с 10 измерениями.

Теория струн во многих отношениях очень многообещающа. Она предоставляет нам основу для объединения в единую теорию всех четырех фундаментальных сил. Она описывает силы и частицы с разных сторон одной и той же физики. Не исключено, что она даже позволит разобраться в природе пространства и зарождении Вселенной, как мы увидим в главах 6 и 7 соответственно.

С другой стороны, возникают и осложнения. Во-первых, проверить теорию струн очень трудно. Поскольку масштабы так малы, у нас практически нет надежды доказать теорию струн при помощи БАК или других экспериментов, которые мы будем способны поставить в обозримом будущем. Еще одна трудность — теория струн отвечает не на все вопросы теории частиц, оставшиеся пока без ответа.

В стандартной модели есть еще один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории XX века — квантовую механику и общую теорию относительности, нашу теорию гравитации? Эти теории говорят нам «правду» о том, что происходит на микроскопическом уровне и на уровне очень сильной гравитации соответственно. Но что происходит в обстановке вроде черной дыры или на заре времен, когда, как полагают, играть роль может и то и другое?

Задумайтесь об этом. Как мы видели в главе 2, практически все аспекты физики порабощены неопределенностью — это и фотонная энергия вакуума, и движение электронов, и пути фотонов. Квантовая механика вплетена в три негравитационные силы. Сходство между ними послужило причиной того, что электромагнитное и слабое взаимодействия посчитали единым электрослабым взаимодействием. Еще оно стало причиной того, что физики выдвинули целый ряд соперничающих между собой «Великих единых теорий», где электрослабое взаимодействие объединяется с сильным. Гравитация стоит особняком. Как ни странно, общая теория относительности не носит ни следа случайности, которая проявляется в остальных трех силах. Нам бы очень хотелось получить в свое распоряжение «теорию квантовой гравитации».

Один из самых увлекательных и многообещающих подходов к этой проблеме называется «петлевая квантовая теория гравитации». Одна из самых странных черт этой теории — что пространство само по себе квантуется. То есть если рассмотреть его на достаточно мелких масштабах, окажется, что оно не гладкое и однородное, а разбито на этакие пиксели. Обычно мы ничего такого не замечаем, поскольку масштабы, о которых мы говорим, — около 10 -35метра, так называемая планковская длина. Планковская длина настолько же меньше атома, насколько атом меньше расстояния до ближайшей звезды. Сильнее дробить пространство невозможно. Из этого следует несколько занятных выводов, с которыми мы познакомимся при разговоре о Большом взрыве в главе 7.