На пути к теории всего

Эта идея давно уже носится в воздухе. Многие пытались создать универсальную теорию взаимодействия, в которую бы вошли все известные физикам на сегодняшний день силы природы — электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия, а также гравитация. Однако до недавнего времени эта затея чаще всего оборачивалась пустой тратой времени и сил. Но вот лед, похоже, тронулся …

Когда «кирпичиков» слишком много

Наибольших успехов физика элементарных частиц достигла лет 30 назад, когда была создана теория, получившая название «стандартной модели». Согласно этой теории, материя в окружающем нас мире состоит из частиц двух типов — из легких лептонов, к которым относятся электрон и нейтрино, и из кварков — гипотетических частиц с весьма своеобразными свойствами; именно они, как надеялись теоретики, смогут взять на себя роль этаких «перво-кирпичиков Вселенной» — тех действительно элементарных частиц, из которых потом были составлены все остальные. Управляют же строительством Вселенной из «кирпичиков мироздания» три силы — электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия.

Передача усилий, в свою очередь, про­ исходит с помощью неких частиц-квантов. Частица света фотон, например, служит носителем электромагнетизма.

Однако на свете существует еще и четвертая сила — гравитация. А вот ее никак не удается поместить в стандартную модель. И для ее описания — впрочем, довольно ту­ манного — используется разве что общая теория относительности.

Не раз уже физики пытались связать воедино теорию относительности и стандартную модель, чтобы создать таким об­ разом общую теорию взаимодействий или, как ее иногда называют «теорию всего». Однако из этих попыток долгое время не выходило ничего путного.

Даже с тремя силами было немало мороки. Особенно долго пришлось повозиться с сильным взаимодействием, которое никак не хотело вмещаться в рамки стандартной модели. Но когда наконец ее, что называется, туда впихнули, выяснилось, что эта модель не в силах объяснить множество вещей. Почему, например, у сотен так называемых элементарных частиц та­ кое разнообразие масс? Почему в природе отмечено четыре силы, а не пять или, скажем, десять.

Поэтому большинство физиков относилось к стандартной модели всего лишь как к первой прикидке, некоей вехе на пути создания теории, которая действительно могла бы объяснить процессы, происходящие во Вселенной. Однако все попытки продвинуться дальше натыкались на непреодолимые препятствия.

Физиков охватило разочарование и да­ же уныние. Особенный пессимизм наблюдался в 1993 году, когда правительство США в целях экономии решило прекратить финансирование, а значит, и строительство гигантского сверхпроводникового ускорителя частиц, на который физики возлагали особые надежды. Но любимую игрушку у них отняли, и теперь некая компания хлопочет, чтобы ей разрешили в уже построенных тоннелях разбить плантации для выращивания грибов …

Еще одно разочарование, постигшее физиков, состояло в том, что ныне, похоже, приходится списывать в архив теорию кварков. Сначала их было всего три, потом стало четыре, а теперь выясняется, что для объяснения каких-то свойств материи кваркам приходится приписывать еще и «цветность», говорить о каких-то симметричных «за зеркальных» кварках и т.д. В общем, получается, что и эта теория оказалась не лучше любой другой. Тем более что на практике существование кварков доказать так и не удалось …

И снова перестройка

Получается, в конце ХХ века в физике сложилось примерно то же положение, какое было в конце предыдущего столетия. Именно тогда, накануне вступления в но­ вое столетие, знаменитый английский физик лорд Кельвин позволил себе сказать, что здание физики в основном уже построено. И в его фундамент осталось положить лишь два маленьких кирпичика, с назначением которых предстоит разобраться в самом ближайшем будущем.

Однако ни сам лорд, ни его коллеги по Лондонскому королевскому обществу, где была произнесена эта речь, не смогли предугадать, что вскорости эти «кирпичики» разрастутся в огромные самостоятельные комплексы, название которым теория относительности и квантовая механика. И теперь уж то здание классической физики, о котором говорил лорд Кельвин, воспринимается не более как пристройка к ним.

Ныне, похоже, история повторяется — современные теории не справляются с наплывом фактов, стало быть, здание физики придется перестраивать еще раз в надежде, что наконец-таки получится цельный ансамбль той самой «теории все­ го», о которой говорилось в начале ..

Но каким строительным материалом воспользоваться? Одно время большие надежды возлагались на теорию супер­ струн. Однако эти суперструны, как и кварки, должны обладать уникальными свойствами, которые никак не удавалось обнаружить на практике. Если, скажем. кварки требовали существования в природе дробного электрического заряда, то, согласно теории суперструн, в окружающем нас пространстве, которое мы привыкли воспринимать как пустое, на самом деле должны содержаться какие-то крошечные обрывки, петельки. Из чего они сделаны — непонятно, тем не менее …

«Вообразите себе замкнутую струну, то есть петлю, — предлагают теоретики, — которая может вращаться, скручиваться и колебаться не только в наших трех измерениях плюс во времени, но и еще как минимум в шести других, лежащих вне пределов нашего сознания. Извиваясь, петля резонирует в различных тональностях, словно десятимерная скрипичная струна … »

Вам все понятно в этом словесном построении? .. Я, признаться, тоже мало что понял. Да и многие другие люди — в том числе и сами физики — тоже. А потому дол­ гое время теория суперструн воспринималась многими, в том числе и ее автором — советским академиком Я.Б.Зельдовичем — как некая игра ума. Получается вот в теории этакое занятное построение, а как быть с практикой  мы еще посмотрим …

Родилась же эта теория, можно сказать, с отчаяния — в ходе попыток подчинить сильное взаимодействие квантовой теории. Формулы показывали, что ниже уровня лептонов и кварков могут лежать еще более мелкие частицы — некие вибрирующие сгустки. Колебания этих сгустков, нитей или струн и позволяют «озвучить» новую теорию строения Вселенной.

В общем, туман, туман и еще раз туман … В нем потихоньку, можно сказать — ощупью, физики и пытались продвигаться вперед.

Их настойчивость поддерживалась знанием, что в физике правильными оказываются как раз наиболее сумасшедшие теории. Например, в свое время даже сам Вольганг Паули не мог поверить самому себе, что в природе может существовать нейтрино — некая сверхлегкая частица, способная запросто пронизать земной шар. Она была открыта им, что называется, на кончике пера. Но, глядите-ка, прошло полвека, и эта частица действительно была обнаружена сначала в недрах ускорителей, а потом и в просторах Вселенной. Так, может, и в данном случае получится так же: сначала Зельдович предположил, что во Вселенной могут существовать некие объекты с поперечником всего­ навсего 1 О ·37 см (для сравнения, диаметр атомного ядра равен примерно 10 ·•3 см), но длиной иной раз во всю Вселенную (то есть около миллиарда световых лет!), а когда-нибудь они будут открыты и экспериментально …

Так это будет или не так, нам еще предстоит убедиться. А пока выясняется: чтобы в расчетах сошлись концы с конца­ ми и теория могла работать, то есть с ее помощью можно было бы предвидеть какие-то экспериментальные результаты, приходится допустить, что в окружающем нас мире существует не четыре измерения — длина, ширина, высота и время, а как минимум десять.

Но где эти измерения? Как их себе представить?

«Наглядно их, конечно, представить нельзя, — утешают обывателей теоретики. — Но ведь мы не можем представить себе и бесконечность. И не знаем, что было до Большого взрыва. Да что там — мы не знаем даже толком, что такое электричество. И тем не менее пользуемся им … »

Поэтому не стоит брать себе в голову, где эти измерения. Может, они попросту не успели развернуться в момент Большого взрыва и скрываются где-то там, в петельках этих самых суперструн, которых тоже никто никогда не видел и даже представляют себе более-менее ясно весьма немногие … Ничего, привыкнем и будем пользоваться … Как тем же электричеством …

То ли остров, то ли кокон …

Однако «струнников» вскоре стали подводить их же расчеты. Неожиданно выяснилось, что и десяти измерений маловато — их количество возросло до 26. Правда, героическими усилиями теоретикам удалось-таки сократить их число снова до десяти.

Но тут возникла новая напасть — оказалось, что и десяти измерений достаточно, чтобы с их помощью можно было создать практически бесконечное количество новых струнных теорий.

Когда же теоретикам удалось «вырубить сорняки» лишних теорий, оказалось, что их все равно не менее пяти. Но не может же истина существовать в нескольких вариантах? Исследователи было приуныли, однако со временем выяснилось, что истина действительно может быть только одна, а вот количество ее представлений может быть и пять …

Вроде бы можно двигаться дальше. Но куда? .. Направление дальнейших поисков истины указал 29-летний аргентинский теоретик Хуан Молдасена. В 1997 году он опубликовал статью, в которой указал на существование связей между теорией струн и стандартной моделью. Рассуждения его понравились многим, и в следующем году Молдасену чествовали на международной конференции по струнам, проходившей в легендарной Санта-Барба­ ре, штат Калифорния.

Еще бы! Ведь Молдасене наконец таки удалось включить в свою теорию еще и гравитацию. Стало быть, счастливые теоретики теперь могут сказать, что они еделали еще один шаг на пути к созданию «теории всего».

Оставался сущий пустяк. Надо было как-то выявить, доказать существование в нашем мире по крайней мере еще 6 измерений.

За эту работу взялся 25-летний физик из Стенфордского университета Мина Арканья Хамен и его коллеги Гия Гвали и То­ ваз Гиннопулос. Вскоре они объявили, что по крайней мере одно из этих измерений существует где-то по соседству и к нему МОЖНО ПОДСТУПИТЬСЯ.

Картина, которую они нарисовали, примерно такова. Наш трех-четырех мерный остров-Вселенная плавает по океану пятого измерения, соизмеримого с макро­ миром. Частицы, из которых сложена наша Вселенная, тяготеют к этой поверхности, отделяющей нас от прочего мира.

Но гравитоны — гипотетические носите­ ли тяготения — просачиваются в наш мир извне. Они словно бы всплывают из глубин многомерного океана. Вот поэтому-то мы и не можем пока разобраться в самой сущности тяготения. Оно — не из нашей Вселенной.

Олайзе Рендал из Принстона и Рома­ на Сундуно из Стенфорда — тоже молодые теоретики — полагают, что ту же картину можно представить и несколько иначе. По их мнению, наша Вселенная окружена измерениями высшего порядка, опутана ими, словно кокон шелкопряда тончайшими нитями.

Какое наглядное представление победит, в данном случае не так уж важно; главное, что оба представления стыкуются математически, а значит, не противоречат друг другу и, возможно, соответствуют истине.

Заодно Молдасена вдохновил еще нескольких молодых теоретиков на дерзновенные поиски. Шамих Кахру и Ева Сильверстайн из Стенфорда, оперируя данными о дополнительных измерениях, попытались разрешить одну из основных проблем космологии. Они убеждены, что наблюдаемое ныне расширение Вселенной поддерживается той самой загадочной энергией, которую принято описывать как космологическую постоянную.

Физика до сих пор хорошо объясняла, как началось это расширение — в результате Большого взрыва. Теперь она, похоже, в состоянии ответить на вопрос, будет ли она расширяться бесконечно или когда­ либо повернет вспять и расширение сменится сжатием.

И это еще не все …

Листая книгу Природы

Основная идея квантовой революции, состоявшейся в первой четверти ХХ столетия, заключалась в том, что энергия неоднородна и распространяется порциями или квантами. Теперь выясняется, что, похоже, подобными порциями или, точнее сказать, блоками может оказаться «нарезано» и само пространство-время.

Кстати сказать, такой вариант развития событий в какой-то мере предвидел наш замечательный ученый-теоретик А.Д. Сахаров. Только он в своей работе прибегнул к несколько иной аналогии. Предположим, говорил он, что вся Вселенная представляет собой толстый том со многими страницами. Но если обычные страницы имеют по существу лишь два измерения длину и ширину, а толщиной бумажного листа и его пожелтением со временем мы можем пренебречь, то в настоящей книге жизни каждая страница как минимум четырехмерна …

Лично мне эта аналогия кажется более удачной хотя бы потому, что она в принципе указывает путь, как можно попасть на другие страницы, в иные миры и измерения. Все страницы скреплены общим корешком …

Поисками этого «корешка» и занимается ныне Фатали Маркополу Паломара, 29 летняя исследовательница из Лондонско­ го имперского колледжа. По ее мнению, возможно, как раз иные блоки или страницы и являются вместилищем той самой «темной материи», свыше 90 процентов которой мы недосчитываемся в нашем мире и догадались о ее существовании лишь по тяготению и некоторым другим косвенным признакам.

Вместе со своими коллегами из Англии и США она намерена прояснить ситуацию, а заодно, быть может, подправить и самого Альберта Эйнштейна, теория относительности которого, как стало понят­ но в последнее время, содержит в себе немало ошибок. Например, он рассматривал пространство-время как нечто однородное и геометрически протяженное. А оно, похоже, вовсе не такое. Он полагал скорость света наивысшей, а ныне в экспериментах обнаруживаются частицы, которые движутся со сверхсветовыми скоростями …

Маркополу вспоминает, как после окончания университета она провела лето, работая в Национальной физической лаборатории в Англии. И ее научный руководитель не раз уговаривал ее не портить себе жизнь и оставить физику элементарных частиц. «Эра ускорителей и великих экспериментов кончилась,  говорил он.  Это уже бесплодная земля. Идите лучше в биологию с генетикой — там намечается прорыв».

«Но ведь в начале ХХ века уже было нечто подобное, — смеется исследовательница. — Когда учитель Макса Планка узнал о намерении своего ученика заняться теоретической физикой, он тоже не советовал ему продолжать свои занятия. Планк не послушался его и открыл совершенно но­ вое направление — квантовую механику. Вероятно, нечто подобное ожидает и нас в скором будущем … »

автор С. Славин