Помоги проекту - поделись книгой:
Очевидно, что во Вселенной существуют подсказки, ведущие человечество к новой теории, но они спрятаны так глубоко, что нам придётся приложить все свои силы, чтобы заметить хотя бы тень одной из них. Но надежду терять ещё рано. К подсказкам нас могут отвести умелые проводники: принципы теории относительности и квантовой теории.
9. Неизведанная страна
История поисков новой теории, объясняющей, почему существует Вселенная и откуда она появилась.
Из-за внутриатомного движения электронов атом должен излучать энергию не только электромагнитную, но и гравитационную, хоть и ничтожное количество. Поскольку реально в природе такого быть не может, то, видимо, квантовая теория должна изменить не только электродинамику Максвелла, но и новую теорию гравитации.
Есть теория, согласно которой в том случае, если кто-то точно выяснит, для чего и зачем появилась Вселенная, она тут же исчезнет и её заменит нечто другое, ещё более бессмысленное и необъяснимое. Есть другая теория, согласно которой это уже произошло.
Вы только что поднялись на крутую гору. Путь к вершине отнял у вас все силы и энергию. Вы истощены, но счастливы. Остановившись, чтобы передохнуть, вы смотрите на другую гору в той же горной цепи, и у вас перехватывает дыхание. Она выше той, на которую вы забрались, — не в два раза, не в пять и не в десять, а в невозможные миллион миллиардов раз.
Именно так чувствовали себя физики в начале XXI века. Они использовали все свои знания, все разработки науки и техники, чтобы построить возле Женевы Большой адронный коллайдер. С его помощью они обнаружили неуловимый бозон Хиггса, квант хиггсовского поля, который наделяет все прочие частицы массой, и были полны эйфории после этой несомненной удачи. Но теперь перед ними возникла новая вершина — планковская величина, на которой пространство, время и гравитация возникают из чего-то ещё более фундаментального, а природа открывает секрет происхождения Вселенной. Для проведения экспериментов с такими величинами требуется в миллион миллиардов раз больше энергии, чем можно получить в БАК. Одного этого факта достаточно, чтобы заставить серьёзного учёного зарыдать.
Из-за недостижимости планковской длины многие комментаторы мрачно предрекают конец физики или её превращение в научную фантастику. Теперь теоретики могут публиковать любые измышления, ведь никто не сможет провести эксперимент, чтобы опровергнуть их слова.
На самом деле эти заявления далеки от правды. «Мысль о том, что проверить теорию можно лишь экспериментально, совершенно неверна», — говорит Нима Аркани-Хамед.
Существуют два физических принципа, в истинности которых мы уверены, так как они с поразительной точностью предсказывают именно то, что мы наблюдаем в окружающем мире с помощью наблюдений и экспериментов. Это специальная теория относительности и квантовая теория. Ни один физик не может просто взять и придумать теорию на свой вкус, ведь она должна будет отвечать принципам общей теории относительности и квантовой теории. Ограничения, накладываемые на реальность, такие строгие, что подавляющее большинство новых физических теорий постоянно признаются неверными. «Вот почему создать более глубокую и фундаментальную теорию так трудно», — замечает Аркани-Хамед.
«Теории расцветают, как тысячи цветов, но не имеют под собой твёрдой почвы физических принципов, — пишет историк науки Геннадий Горелик из Бостонского университета. — Никогда прежде в истории физики такое множество работ не приносило такого ничтожного результата».[246]
«Создание такой геометрии пространства-времени, которая объяснила бы не только законы гравитации и электромагнетизма, но и квантовые законы, — это величайшая задача, когда-либо стоявшая перед физикой», — говорил Матвей Бронштейн, учёный, первым занявшийся вопросом квантовой гравитации ещё в 1930-х годах.[247]
Чтобы лучше понять, как смирительная рубашка, сшитая из специальной теории относительности и квантовой теории, ограничивает действия учёных, представьте себе великого физика, который ничего не знает о мире (не задумывайтесь, как при этом он стал учёным — это вымышленная история). Он заперт в комнате без окон, но с двумя досками. На одной из них написаны принципы специальной теории относительности и квантовой теории. На второй нет ничего, кроме указания: «Вычислить следствие для этой доски».
Некоторое время наш физик с ужасом смотрит на пустую доску, затем берёт мел и начинает лихорадочно писать. Что он записывает? Что он понял о мире?
Сила дедукции
Для начала наш физик понимает, что специальная теория относительности и квантовая теория имеют последствия для квантового спина. Как уже говорилось ранее, спин, как и всё в микромире, состоит из дискретных частиц, а его фундаментальная единица составляет 1/2 от определённого значения (ℎ/2π).[248]
Может показаться, что субатомная частица может иметь спин, равный любому производному значению от базового, например 19/2, 27 или 801. Но наш физик быстро понимает, что диапазон спинов в природе ограничен. Из бесконечного количества значений только пять совместимы с положениями специальной теории относительности и квантовой теории: 0, 1/2, 1, 3/2 и 2.
Спин частицы определяет, как она взаимодействует с другими частицами, а значит, определяет и явления, в которых она участвует. Наш физик решает поочерёдно рассмотреть частицы с каждым типом спина и записать на пустой доске все выводы, которые он сможет о них сделать.
Для начала он вычисляет, что в соответствии с квантовой теорией частицы с полуцелым спином подчиняются принципу Паули, из-за чего стараются избегать друг друга.[249] Раз каждой из таких частиц требуется много места, значит, когда они собираются вместе в больших количествах, формируются вытянутые, протяжённые объекты.
На самом деле частицы со спином 1/2, известные также как кварки или лептоны, представляют собой фундаментальные строительные блоки материи. Типичным лептоном, разделяющим антисоциальную природу своих полуцелых собратьев, является электрон. Как писал Ричард Фейнман, «электроны нельзя поставить друг на друга, вот почему столы и другие предметы состоят из твёрдой материи».
Затем наш физик переходит к частицам со спином 1. Он понимает, что строительные блоки материи могут обмениваться ими и что именно за счёт этого обмена возникает взаимодействие. Существует три способа такого обмена, которые ведут к возникновению трёх фундаментальных сил природы.
Эти способы носят названия электромагнитной силы, а также сильного и слабого ядерного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки по три в протоны и нейтроны и удерживает их в атомном ядре. Но на электроны его влияние не распространяется. Они удерживаются рядом с ядром за счёт электромагнитной силы, и таким образом возникает атом.
Наш запертый учёный не только вычисляет существование в природе 92 типов атомов (от самого лёгкого, водорода, до самого тяжёлого, урана), но и предполагает наличие широкого спектра химических соединений, возникающих благодаря миллионам различных способов соединения базовых атомных строительных блоков.[250]
Итак, с частицами с полуцелым и целым спином мы разобрались. Теперь наш физик переходит к частице со спином 0. Он сразу же понимает, что такая частица представляет собой квант поля, пронизывающего всё пространство и сопротивляющегося движению других частиц. Таким образом, частицы приобретают инерцию, то есть массу.
Подобные частицы известны нам под названием бозон Хиггса. О его открытии было триумфально объявлено командой Большого адронного коллайдера в июле 2012 года.
Затем наш физик переходит к частицам со спином 2. Он понимает, что свойством таких частиц является взаимодействие со всеми прочими частицами, что приводит к возникновению «универсальной силы». После некоторого количества расчётов наш физик делает вывод, что из существования частиц со спином 2 неизбежно следует общая теория относительности.[251] Это доказывает, что специальная теория относительности в некотором смысле имеет более фундаментальный характер, чем общая, иначе как вторая могла бы вытекать из первой (разумеется, в сочетании с квантовой теорией)?
Изучив общую теорию относительности, наш физик признаёт существование притяжения, действующего на длинных дистанциях в соответствии с законом обратных квадратов и заставляющего крупные тела двигаться по орбитам вокруг ещё более крупных тел. Нам известно, что планеты вращаются вокруг своих звёзд, а галактики могут двигаться вокруг других галактик. Но наш физик ничего об этом не знает, ведь он заперт в комнате без окон. Тем не менее ему удаётся логически вычислить существование Вселенной.
Частицу со спином 2 ещё никому не удалось обнаружить, и даже если она существует, есть основания полагать, что в ближайшем будущем мы её всё равно не увидим. Однако она соответствует описанию гравитона, гипотетической частицы — переносчика силы притяжения.[252] Поскольку у физиков имеется теория гравитации, в соответствии с которой сила притяжения переносится гравитоном и которая выступает основой для общей теории относительности, в каком-то смысле они уже создали квантовую теорию гравитации.
К сожалению, эта теория — всего лишь проекция квантовой теории на мир больших величин и низких энергий, а не более глубокая её версия, применимая к миру на уровне планковской длины.
Наконец, наш физик рассматривает последний спин — 3/2. Частицы с таким спином обеспечивают существование
На данный момент у нас нет экспериментального подтверждения того, что природа действительно использует частицы со спином 3/2. Но, учитывая то, что все остальные виды спинов действительно существуют, есть подозрение, что имеется и этот. Согласно данной гипотезе, к примеру, у электрона есть суперсимметричный брат-близнец, называемый селектроном. Суперпартнёры известных частиц считаются хорошими кандидатами на звание составляющих частиц тёмной материи Вселенной, масса которой, как известно, в шесть раз превышает массу видимых звёзд и галактик.[253] Учёные предполагают, что мы ещё не обнаружили суперсимметричные частицы, потому что они очень массивны и для их создания необходимо больше энергии, чем сейчас может дать столкновение частиц в Большом адронном коллайдере.
Итак, наш физик рассмотрел частицы со всеми возможными видами спина и вычислил их поведение. Но есть и ещё один вывод, который он может сделать из специальной теории относительности и квантовой теории. Они предполагают, что каждая субатомная частица должна иметь партнёра с противоположным электрическим зарядом или спином. Каждый раз, когда в результате квантовой флуктуации вакуума появляется частица, вместе с ней возникает и античастица.[254] Например, отрицательно заряженный электрон всегда формируется вместе с положительно заряженным позитроном.
Стандартная модель
Вот полный список элементов, из которых состоит Вселенная: 12 базовых строительных блоков (шесть кварков и шесть лептонов), 12 частиц-переносчиц (фотон для электромагнитной силы, три векторных бозона для слабого ядерного взаимодействия и восемь глюонов для сильного), бозон Хиггса и античастицы. Все вместе они составляют Стандартную модель физики частиц, результат 350-летнего труда учёных. Не будет преувеличением сказать, что Стандартная модель и общая теория относительности описывают весь мир.
Самое удивительное в Стандартной модели то, что такое небольшое количество ингредиентов, соединяющихся таким небольшим количеством способов, создаёт столь многое вокруг нас. Готтфрид Лейбниц, немецкий математик XVII века, замечал: «Бог выбрал лучший из миров, который наиболее прост для понимания и наиболее богат на явления».[255]
Удивительно, но наш физик, запертый в комнате без окон всего с двумя досками и куском мела, смог вычислить основные свойства этого мира. «Физика ужасно ограничена квантовой теорией и теорией относительности, — говорит Аркани-Хамед. — Они делают Вселенную практически неизбежной».
Практически — потому что эти ограничения не определяют массы фундаментальных частиц, а также общее количество кварков и лептонов. Обычная материя состоит всего из четырёх частиц: верхнего кварка, нижнего кварка, электрона и электронного нейтрино. Например, протон в ядре атома формируется из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон — из двух нижних и одного верхнего. Но на этом природа не остановилась. Она создала более тяжёлые версии четырёх базовых частиц: странный кварк, очарованный кварк, мюон и мюонное нейтрино. Затем последовали и их утяжелённые версии: прелестный кварк, истинный кварк, тау и тау-нейтрино. Эти частицы не играют практически никакой роли в современной Вселенной, так как энергия, необходимая для их формирования, существовала лишь в первые доли секунды после Большого взрыва. Как шутил американский физик И. А. Раби, непонятно, кто их заказывал.[256]
Стандартная модель не объясняет, зачем природа наделила каждый свой строительный блок двумя партнёрами, а также почему распределила между ними массу таким образом, как мы это наблюдаем. Можно предположить, что это не последнее слово природы, а лишь приблизительное видение более глубоких процессов, которые нам ещё предстоит открыть. Но эти отклонения не должны отвлекать нас от важного факта: принципы специальной теории относительности и квантовой теории налагают на вероятности такие строгие ограничения, что в результате определяют почти всё в физическом мире. «Интересно, был ли у Бога хоть какой-то выбор при создании мира?» — писал Эйнштейн. Квантовая теория и специальная теория относительности подсказывают нам, что ответ на этот вопрос отрицательный.
Как уже упоминалось в начале этой главы, некоторые люди считают физиков-теоретиков фантазёрами, которые заняты лишь тем, что воображают удивительные и странные вещи. Проверить их правоту экспериментальным путём невозможно, а значит, нельзя и доказать, что они врут. Но тот факт, что специальная теория относительности и квантовая теория почти полностью описывают процессы в окружающей нас Вселенной, может означать лишь одно: в целом они верны. Это, в свою очередь, делает их тугой смирительной рубашкой, сковывающей действия физиков, которые пытаются докопаться до более глубокой теории. Квантовая теория и специальная теория относительности оставляют так мало места для манёвра, что двигаться в нём почти невозможно. «Почти все твои попытки обречены на провал. Большинство теорий, рождаемых физиками, умирает во младенчестве», — говорит Аркани-Хамед.
В 2017 году существовал лишь один кандидат на звание более глубокой теории, соответствующей всем ограничениям, — теория струн.[257]
Струны в космосе
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]
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] 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] 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] «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]
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,
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
В 1920-х годах, когда Калуца и Клейн высказали своё предположение, сильное и слабое ядерное взаимодействие, действующие лишь в микроскопических масштабах атомного ядра, ещё не были открыты. Но их поведение можно сымитировать, добавив ещё несколько пространственных измерений, свёрнутых до сверхмалых размеров. В конечном итоге таких измерений нам потребуется шесть. Соответственно, гипотетические струны могут вибрировать в десятимерном пространстве-времени (девяти пространственных и одном временно́м измерении).
Физик и автор научно-популярных книг Брайан Грин из Колумбийского университета в Нью-Йорке пишет: «Сначала приходит Эйнштейн и говорит: “Пространство и время могут изгибаться и искривляться — это и есть гравитация”. А потом приходит теория струн и добавляет: “Не только гравитация, а ещё и квантовая механика и электромагнетизм, но только если во Вселенной больше измерений, чем мы можем увидеть».[263]
«Сначала людям не нравились дополнительные измерения, — рассказывает специалист по теории струн Эдвард Виттен из Института перспективных исследований в Принстоне, — но они приносят большую пользу. Благодаря им теория струн может описать все элементарные частицы и их взаимодействия, включая гравитационное».
Плюсы и минусы теории струн
Теория, которая заявляет, что пространство-время имеет десять измерений, кажется полностью противоречащей нашей трёхмерной реальности (четырёхмерной, если учитывать время). Но это не единственная её проблема. Для начала струны должны быть невероятно маленькими. Согласно теории они имеют планковскую длину 10−35 метра, то есть в миллион миллиардов раз меньше атома водорода. Соответственно, даже самые жёсткие столкновения частиц в БАК не смогут обеспечить достаточно энергии для прямого изучения мира струн. А так как величины и энергии, существующие в этом мире, слишком отличаются от нашей реальности, они не оставляют на ней заметного отпечатка. Итак, струны не только неподвластны нашим экспериментам, но и не позволяют нам сделать хоть какие-либо предположения, которые можно было бы эмпирически проверить. Дэвид Тонг говорит: «Поразительно, как и Стандартная модель, и общая теория относительности вытекают из теории струн. Но на самом деле физикам бы хотелось, чтобы из неё вытекло что-нибудь неожиданное».
Кроме того, теория струн требует от природы существования суперсимметрии. Чем более высокие энергетические уровни затрагивают исследования на БАК, тем меньше в микромире остаётся мест, где могли бы прятаться суперсимметричные частицы. Если они не объявятся в ближайшее время, теория окажется нежизнеспособной. Даже критики признают, что теория струн — это элегантная математическая конструкция, но существует ещё множество таких же прекрасных идей, которые природа в своей мудрости решила не применять на практике.
Ещё одна проблема теории струн состоит в том, что дополнительные измерения могут пересекаться множеством различных способов. Согласно некоторым оценкам, это ведёт к возникновению как минимум 10500 отдельных «струнных вакуумов», в каждом из которых количество и массы фундаментальных частиц различаются, равно как и число фундаментальных взаимодействий и силы их воздействия. Физики предполагали, что, раз специальную теорию относительности и квантовую теорию так сложно объединить, любая гипотеза, которая сможет это сделать, должна быть уникальной и верно предсказывать наблюдаемые свойства фундаментальных частиц и сил. Но, как говорит Аркани-Хамед, они ошибались.
Вместо этого учёные обнаружили огромное количество «решений» теории струн, соответствующих и специальной теории относительности, и квантовой теории. Некоторые называют теорию струн «пучком решений в ожидании задачи». В истории физики такое уже случалось. Например, существует бесконечное число возможных электромагнитных волн, каждая из которых имеет свою длину. Все они являются решениями для максвелловского уравнения электромагнетизма. Или в мире существует множество атомов водорода, десятки столов и один человек, который читает эти слова. Все вы представляете собой решения для уравнения Шрёдингера.
Вопрос в том, решениями для какой теории являются 10500 струнных вакуумов.
В какой-то момент специалисты по теории струн изучали пять различных её вариаций, известных под названиями Тип I, Тип IIa, Тип IIb, Гетеротический тип O(32) и Гетеротический тип
Итак, 10500 струнных вакуумов — это решения M-теории. Все вместе они выглядят как группа Вселенных, или Мультивселенная, в которой все элементы, вероятнее всего, связаны друг с другом. «Многочисленны и странны Вселенные, которые дрейфуют, как пена, по реке Времени», — писал фантаст Артур Кларк.[264] Вполне возможно, он имел в виду струнные вакуумы.
Физики предпочли бы теорию, которая может точно предсказать свойства фундаментальных частиц и сил. Вместо этого им приходится искать ответ на вопрос, почему из всех 10500 Вселенных мы находимся именно в этой. Аркани-Хамед говорит, что это нам пока неизвестно.
Учёные могли бы попытаться подсчитать количество Вселенных, в каждой из которых масса электрона, сила электромагнитного взаимодействия и другие параметры имели бы одно из своих возможных значений. Чаще всего при таком подсчёте должны были бы встречаться Вселенные, в которых массы субатомных частиц и значения фундаментальных сил были бы близки к нашим. Если же оказалось бы, что мы живём в особой Вселенной, непохожей на другие, по теории струн был бы нанесён серьёзный удар. «Проблема лишь в том, что мы не можем придумать, как посчитать Вселенные», — замечает Аркани-Хамед.
Бермана это не очень беспокоит. «На нашем пути изучения математической структуры теории струн ещё рано отчаиваться, — говорит он. — Мы ещё и близко не подошли к реальной физике».
Но, несмотря на все затруднения с теорией струн, она имеет несколько убедительных характеристик, из-за которых множество физиков по всему миру не просто интересуются ею, но и настроены в её отношении крайне оптимистично. Начнём с того, что она предполагает существование вибрирующей замкнутой струны со спином 2. Как уже говорилось выше, частица со спином 2 должна быть гравитоном, частицей-переносчицей силы притяжения. Кроме того, неизбежным следствием из существования частиц со спином 2 является общая теория относительности. Как мы знаем, объединение квантовой теории и эйнштейновской теории гравитации — это Святой Грааль физики. Поэтому квантовая теория струн, одновременно включающая в себя общую теорию относительности, кажется такой привлекательной.
Но для Бермана главная её прелесть не в этом, а в её богатстве. Он сравнивает теорию струн с ньютоновской теорией гравитации: «Она объясняет не одно явление, а многие: движение планет, приливы и отливы, предварение равноденствий и так далее. Теория Ньютона дала физикам материал для работы на вечность вперёд. Точно так же и с теорией струн — наша работа с ней далека от завершения. Она может продолжаться ещё очень долго».
До 1985 года теория струн находилась на задворках большой физики, а работать над ней соглашались лишь фанатики, уверенные в её правоте. Всё изменилось, когда Джон Шварц из Калифорнийского технологического института в Пасадине и Майк Грин из Лондонского университета королевы Марии совершили прорыв.
Физика содержит множество симметрий — аспектов различных ситуаций, которые остаются неизменными при изменении прочих условий. Например, квадрат продолжает выглядеть квадратом, если его повернуть на 90, 180 или 360 градусов. В 1918 году немецкий учёный Эмми Нётер сделала потрясающее открытие. Оказывается, симметрии лежат в основе многих великих законов природы. Возьмём, к примеру, закон сохранения энергии, который гласит, что энергию нельзя создать или уничтожить — только изменить её форму. Он является следствием симметрии временного сдвига, благодаря которой эксперимент будет иметь один и тот же результат, если провести его сегодня, завтра, через месяц или через год.
Открытие того, что законы физики основываются на симметрии, стало одним из величайших в современной науке. Именно поэтому сотрудники БАК охотятся за симметричными явлениями, указывающими на новые фундаментальные законы. Многие теории в квантовом мире не сохраняют классических симметрий. Например, специальная теория относительности лишается своей ключевой симметрии Лоренца. Шварц и Грин выяснили, что теория струн остаётся симметричной, или, пользуясь научным языком, не содержит аномалий. Берман отмечает: «Все симметрии классической физики применяются автоматически. Удивительным образом теория струн оказывается совместимой со всем, что нам уже известно».
Открытие Шварца и Грина запустило «первую струнную революцию», в ходе которой теория струн из узкой области превратилась в основное поле для исследований. «Второй струнной революцией» было осознание того, что все теории струн представляют собой версии M-теории, а также того, что самое важное в ней, на удивление, не струны.
Сила браны
Наш повседневный трёхмерный мир содержит не только одномерные объекты, но и объекты двумерные, например столешницы, и трёхмерные, например деревья и людей. По аналогии во Вселенной M-теории с её десятью пространственными измерениями должны иметься не только одномерные струны, но и двумерные, трёхмерные, четырёхмерные тела и так далее. Эти многомерные тела учёные совокупно называют бранами, или, как окрестил их Таунсенд,
Выясняется, что в M-теории существование бран не только вероятно, но и обязательно. Это разнообразие тел, существующих в различном количестве измерений, означает, что в теории, которую ищут физики, струны вряд ли должны играть фундаментальную роль. Судя по всему, для объединения специальной теории относительности и квантовой теории требуется большая группа объектов. «В некоторых областях теории проявляется действие частиц, в некоторых — струн, в некоторых — 2-бран, 3-бран и так далее», — объясняет Аркани-Хамед.
В этой картине мира Макровселенная представляет собой трёхмерный остров (3-брану), качающийся на поверхности десятимерного пространства. В таком сценарии перед струнами открываются две возможности. Один конец струны может быть прикреплён к 3-бране так, что она будет выглядеть как водоросль на дне Саргассова моря, или же струна может быть замкнута в кольцо и не контактировать с 3-браной. Известные нам фундаментальные частицы, входящие в Стандартную модель, относятся к первому типу, а гравитон представляет собой кольцо, способное двигаться за пределами браны и исследовать все десять пространственных измерений.
Эта теория предлагает интуитивное объяснение одной из величайших загадок физики: почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил природы. Как я уже упоминал, сила притяжения между протоном и электроном в атоме водорода в 10 000 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз меньше, чем электромагнитная сила. В 1999 году Лиза Рэнделл из Гарвардского университета и Раман Сундрам из Мэрилендского университета в Колледж-Парке выяснили, что дополнительные измерения не обязательно должны быть свёрнуты до субатомных размеров. Если они искривлены определённым образом, то могут оставаться незамеченными, даже если будут величиной со всю Вселенную.[265]
Согласно сценарию, предложенному Рэнделл и Сундрамом, причина того, что частицы-переносчицы негравитационного (например, электромагнитного) взаимодействия достаточно сильны, состоит в том, что они существуют в пределах 3-браны. Гравитоны же имеют доступ ко всем десяти измерениям, поэтому их воздействие размыто.
Хотя это интуитивное объяснение слабости гравитации выглядит достаточно привлекательно, у нас пока что нет никаких доказательств существования огромных пространственных измерений, скрытых от нашего взора. Теория струн предлагает огромное количество возможных объяснений природных явлений, но не содержит почти ни одного положения, которое позволило бы учёным делать точные и проверяемые предсказания.
Если наша Вселенная действительно представляет собой огромный трёхмерный остров, плавающий на поверхности десятимерного пространства-времени, будет логично задать себе вопрос: а единственный ли он? Если нет, то может ли одна 3-брана столкнуться с другой? Именно на таком варианте развития событий строится новая гипотеза Большого взрыва, предложенная группой учёных под руководством физика Нила Турока из института «Периметр» в Уотерлу, Канада.
Согласно этой схеме, однажды две пустые 3-браны приблизились друг к другу в пятом измерении (за четвёртое мы принимаем время). Представьте их себе как два куска хлеба, который кладут один на другой. Две 3-браны прошли сквозь друг друга, но в пятом измерении они обладали огромной энергией, и в момент их соприкосновения она должна была куда-то деться. Поэтому возникла масса-энергия субатомных частиц на бранах, а затем они раскалились до невероятных температур. Иными словами, произошёл Большой взрыв.
Схема Турока гласит, что огненный шар, возникший на каждой бране, расширился и остыл, а из обломков сформировались галактики, которые начали разлетаться, и в конце концов материя на каждой бране оказалась столь разреженной, что они, по сути, снова стали пустыми. Вакуум в пятом измерении действует как пружина, снова прижимающая браны друг к другу. В итоге они сталкиваются, и цикл повторяется снова и снова. Наш Большой взрыв — это всего лишь одно событие из длинной череды, которая началась в прошлом и продолжится в будущем.
Модель циклической Вселенной не похожа на стандартный космологический сценарий, в котором Вселенная в первые доли секунды своего существования претерпевает невероятно резкое и яростное расширение, известное под названием «инфляция». «Если бы Вселенная начала стремительно расширяться сразу же после своего возникновения, гравитационные волны двигались бы сквозь пространство-время и весь космос был бы наполнен эхом такого расширения», — говорит Турок. Циклическая Вселенная не требует, чтобы пространство-время сотрясали жёсткие изменения, а потому не предсказывает существования таких гравитационных волн.
Существование циклической Вселенной — это довольно смелая гипотеза. Сама по себе теория струн ещё не до конца доработана. Она может оказаться как частью более глубокой теории, объясняющей истоки пространства, времени и всей Вселенной, так и полной чушью. Но специалисты по теории струн верят, что находятся на правильном пути — в первую очередь потому, что это вообще единственный возможный путь, ведь, несмотря на многочисленные усилия, никому ещё не удалось создать другую «теорию всего», объединяющую фундаментальные силы. Но у сторонников теории струн есть и ещё одно основание для оптимизма: потенциально она может объяснить парадокс существования самых загадочных объектов во Вселенной — чёрных дыр.
Чёрные дыры
Согласно теории гравитации Эйнштейна, в сердце чёрных дыр материя сжимается до бесконечной плотности, и все известные нам законы физики перестают работать. Но сингулярность — не единственное место в чёрной дыре, которое ставит под сомнение наше понимание реальности.
Как уже упоминалось выше, горизонт событий — это воображаемая мембрана, окружающая сингулярность и обозначающая точку невозврата для попадающего на неё света и материи. Когда мы говорим о размерах чёрной дыры, мы имеем в виду диаметр горизонта событий.
В 1974 году Стивен Хокинг шокировал научный мир заявлением, что чёрные дыры на самом деле не чёрные. К этому выводу он пришёл, проанализировав квантовые процессы поблизости от чёрной дыры. Давайте вспомним, что в соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга вакуум порождает пары частиц и античастиц. Эти виртуальные частицы живут крайне недолго, аннигилируя и исчезая всего за доли секунды. Но Хокинг понял, что вблизи горизонта событий чёрной дыры должно происходить и происходит нечто совершенно иное.
Одна половина пары «частица–античастица» может начать двигаться прочь от чёрной дыры, пытаясь избежать её притяжения, а вторая — упасть в неё через горизонт событий. После этого она уже не вырвется наружу, чтобы столкнуться со своей парой и аннигилировать. Частица, которой удалось сбежать, из виртуальной превратится в реальную с куда более долгим сроком жизни.
Хокинг понял, что подобные процессы постоянно происходят вокруг горизонта чёрной дыры. Из-за того что одиночные частицы постоянно рвутся прочь от неё, возникает излучение Хокинга.
Определяющей характеристикой чёрной дыры является тот факт, что ничто попавшее в неё не может вырваться наружу. Излучение Хокинга испускает не сама дыра, так как его частицы в неё не попадают. Оно рождается в вакууме на границе горизонта событий.
Но энергия, которая создаёт излучение Хокинга, должна откуда-то браться, и единственным её источником может быть гравитация самой чёрной дыры. Частицы постоянно утекают в открытый космос, и гравитационное поле чёрной дыры ослабевает, заставляя её постепенно уменьшаться, или «испаряться».
Чем меньше чёрная дыра, тем сильнее её излучение Хокинга.[266] Для чёрных дыр, имеющих звёздную массу, и сверхмассивных чёрных дыр, находящихся в центре большинства галактик, эта утечка частиц настолько минимальна, что предполагаемый срок жизни дыр превышает текущий возраст Вселенной. Но по мере того, как чёрная дыра уменьшается, её излучение Хокинга становится всё сильнее и сильнее. У крошечной чёрной дыры (а этой стадии достигнет каждая дыра, прежде чем исчезнуть окончательно) оно будет ослепительно-ярким. Что и говорить, чёрные дыры умирают с блеском.
По определению всё то, что светится, имеет температуру. Это верно и для чёрных дыр, сверкающих излучением Хокинга. С первого взгляда это предположение кажется безумным, потому что чёрная дыра — это не что иное, как бездонный колодец в пространстве-времени, не содержащий никакого источника тепла. Но она разогревается не из-за каких-то своих внутренних свойств, а из-за внешних квантовых процессов, протекающих в окружающем её вакууме.
Тот факт, что излучение Хокинга заставляет чёрную дыру испаряться и в итоге приводит к её исчезновению, создаёт значительный научный парадокс. Фундаментальный закон физики гласит, что информацию нельзя создать или уничтожить. Возьмём, к примеру, Луну. Используя законы Ньютона, мы можем предсказать её завтрашнее положение на небе, исходя из сегодняшнего. Значит, информация о её будущем местоположении заключена в информации о настоящем. Пока Луна движется по небосводу, мы не приобретаем и не теряем информацию — она остаётся в сохранённом виде. С другой стороны, при «испарении» чёрной дыры информация утрачивается.
Чёрная дыра звёздной массы когда-то была звездой. Для того чтобы точно определить параметры такого небесного тела, требуется большой объём информации, например, о типе, местоположении и скорости каждого её атома. Но когда чёрная дыра полностью «испаряется» из-за излучения Хокинга, от неё ничего не остаётся. Куда же исчезает информация? Вот так вкратце формулируется информационный парадокс чёрных дыр.
Этот парадокс настолько удивителен, что сам Хокинг много лет верил, будто чёрные дыры действительно нарушают один из самых важных принципов физики: «Я полагал, что информация в чёрной дыре действительно исчезает, и это было моей самой большой ошибкой — или по крайней мере самой большой чушью в науке».[267]
Очевидно, что виновник исчезновения информации — это излучение Хокинга. Возможно ли, что оно каким-то образом уносит в космос знания о звезде, которая породила чёрную дыру? Но единственной характеристикой излучения Хокинга (технически имеющего спектр чёрного тела) является температура.[268] Только эту информацию оно может перенести от чёрной дыры.
Ключ к разгадке информационного парадокса чёрных дыр предложил израильский физик Яаков Бекенштейн. В 1972 году он открыл одну необычную характеристику горизонта событий. Оказывается, площадь его поверхности связана с энтропией чёрной дыры.[269]
Понятие энтропии происходит из теории теплоты. Второй закон термодинамики звучит так: «Энтропия постоянно увеличивается». Это один из самых важных принципов науки, который объясняет, почему дворцы рассыпаются в прах, яйца бьются, а люди стареют. Открытие Бекенштейна, сделанное ещё до утверждения Хокинга о существовании у чёрных дыр теплового излучения, стало первым сигналом о существовании связи между чёрными дырами и теплом. Удивительным образом в чёрных дырах сходятся воедино три величайшие физические теории: теория гравитации Эйнштейна, квантовая теория и термодинамика, то есть теория теплоты. Вот почему понимание чёрных дыр так важно для объединения квантовой теории и общей теории относительности.
Энтропия тесно связана с информацией, так как является мерой её нехватки или нашего незнания о состоянии системы. Если говорить точнее, энтропия измеряет беспорядочность системы на микроуровне и определяется как «количество микросостояний, соответствующих определённому макросостоянию». Возьмём, к примеру, кирпич. Для него это будет количество комбинаций, которые могут составить его атомы таким образом, чтобы при этом он не переставал выглядеть кирпичом. Тот факт, что у горизонта событий чёрной дыры есть энтропия, означает, что он вовсе не такой гладкий и ровный, каким его представляет общая теория относительности, а имеет собственную микроскопическую структуру.
В 1993 году лауреат Нобелевской премии по физике голландец Герард т’Хоофт из университета Утрехта предположил, что горизонт событий должен быть неровным на микроскопическом уровне и что именно в углублениях и выступах его микроландшафта и скрывается информация, описывающая звезду, которая стала чёрной дырой. Горизонт событий можно сравнить со сверхплотным компакт-диском, каждый участок которого со стороной, равной планковской длине (то есть имеющий площадь около 10−70 квадратных метров), содержит эквивалент 0 или 1 в бинарной системе. «На самом деле чёрная дыра имеет очень богатую структуру, как Земля с её горами, долинами, океанами и так далее», — говорит Кип Торн из Калифорнийского технологического института в Пасадине.
Поделиться книгой: