Вселенная – симфония струн
Все физическое знание на фундаментальном уровне содержится в двух столпах физики – общей теории относительности и квантовой теории. Альберт Эйнштейн был основателем первой из них и крестным отцом второй, а также проложил путь к возможному объединению обеих теорий.
Незавершенную единую теорию поля и 30-летний поиск «теории всего» нельзя назвать неудачей Эйнштейна. В последние годы с появлением новой теории, получившей название теории суперструн, или М-теории, ученые занялись переоценкой поздних трудов Эйнштейна и его наследия, поскольку на первое место в мире физики вышел поиск единой теории поля. «Теория всего» стала основной целью изысканий целого поколения молодых ученых.
После двух тысяч лет исследования свойств материи, с тех пор, когда Демокрит и другие греки задались вопросом о составе Вселенной, физика произвела на свет две конкурирующие теории, совершенно несовместимые между собой. Первая – это квантовая теория, которой нет равных при описании мира атомов и элементарных частиц. Вторая – общая теория относительности Эйнштейна, подарившая нам теории черных дыр и расширяющейся Вселенной. Главный парадокс в том, что эти две теории – полные противоположности. Они исходят из разных начальных предположений, пользуются разной математикой и опираются на разные физические картины.
Ученые уже сформулировали самый прогрессивный вариант квантовой физики, который воплотился в так называемой Стандартной модели, объясняющей субатомные экспериментальные данные. Это самая успешная теория в природе; она описывает свойства трех (электромагнитного, слабого и сильного ядерного) из четырех фундаментальных взаимодействий.
Как пишет Мичио Каку («Космос Эйнштейна»), «несмотря на успешность Стандартной модели, у нее есть проблемы. Теория просто связывает между собой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, причем связывает достаточно искусственно. При ближайшем рассмотрении Стандартная модель представляет собой путаный случайный набор элементарных частиц со странными бессмысленными названиями, такими как кварки, бозоны Хиггса, W-бозоны, глюоны и нейтрино. Более того, Стандартная модель вообще не упоминает о гравитации. Если попытаться искусственно привязать гравитацию к Стандартной модели, выяснится, что теория сразу же рушится».
На протяжении 50 лет все попытки связать квантовую теорию с теорией относительности оставались безрезультатными. Единственный довод в ее пользу – то, что она верна в пределах соответствующих экспериментальных данных. Очевидно, необходимо пойти дальше Стандартной модели и заново пересмотреть объединяющий подход Эйнштейна.
Теперь ведущим кандидатом на роль теории всего – теории, способной объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, – является так называемая теория суперструн. Более того, это единственный претендент на эту роль, поскольку все конкурирующие теории уже отброшены. Физик Стивен Вайнберг говорит, что все карты, по которым ориентировались древние моряки, указывали на существование легендарного Северного полюса, хотя прошло немало столетий, прежде чем Роберт Пири в 1909 г. наконец добрался до него. Аналогично все открытия в физике элементарных частиц указывают на существование «Северного полюса» Вселенной, то есть единой теории поля. Теория суперструн может вобрать в себя все лучшие черты квантовой теории и теории относительности удивительно простым способом. Теория суперструн основана на идее о том, что элементарные частицы можно рассматривать как ноты на колеблющейся струне.
Если бы можно было взять сверхмощный микроскоп и заглянуть непосредственно в электрон, выяснилось бы, что это не точечная частица, а колеблющаяся струна. Когда суперструна колеблется в другом режиме, или на другой ноте, она превращается в другую элементарную частицу, к примеру, в протон или в нейтрино. Таким образом, лавина элементарных частиц, открытых за несколько десятилетий, представляют собой просто ноты на этой суперструне. Законы химии, которые кажутся очень путаными и произвольными, представляют собой мелодии, сыгранные на суперструнах. Сама Вселенная – это симфония струн, а законы физики – не что иное, как гармонии суперструн.
Теория суперструн может также вместить в себя все наработки Эйнштейна по теории относительности. Движение струны в пространстве-времени вынуждает окружающее пространство искривляться, в точности как предсказывал Эйнштейн. Более того, теория суперструн окажется противоречивой, если струна не будет двигаться в пространстве-времени в соответствии с общей теорией относительности. Как сказал физик Эдвард Виттен, даже если бы Эйнштейн вообще не открыл общую теорию относительности, ее вполне можно было бы открыть иначе, через теорию струн. Виттен заметил: «Теория струн чрезвычайно привлекательна, потому что от гравитации в ней никуда не денешься. Все известные непротиворечивые теории струн включают в себя гравитацию, так что если в квантовой теории поля, как мы ее знаем на данный момент, гравитация невозможна, то в теории струн она обязательна».
Однако теория струн позволяет сделать и еще кое-какие удивительные предсказания. Струны способны непротиворечиво двигаться только в десятимерном пространстве (одно измерение на время и девять – на пространство). Более того, теория струн – единственная теория, которая устанавливает размерность своего собственного пространства-времени, она способна объединить гравитацию с электромагнетизмом, предположив, что высшие измерения могут колебаться, порождая силы, способные распространяться по трем измерениям, как свет. Если добавить одиннадцатое измерение, то в теории струн возможны мембраны, колеблющиеся в гиперпространстве. Такой вариант называется М-теорией; он вбирает в себя теорию струн и позволяет взглянуть на нее по-новому, с позиции одиннадцатого измерения.
В настоящее время физики, как в свое время Эйнштейн, уверены, что четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы видим в природе (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия) в момент рождения Вселенной были едины и составляли некое «супервзаимодействие», а позже, по мере остывания Вселенной, разделились. Эйнштейн считал, что, если бы мы могли вернуться в прошлое на 13,7 млрд. лет, к моменту Большого взрыва, мы бы увидели космическое единство Вселенной во всем его величии.
Поскольку теория суперструн – это теория рождения Вселенной, единственный способ проверить ее – воссоздать Большой взрыв, то есть получить в ускорителе элементарных частиц энергии, примерно соответствующие энергии начала Вселенной. Для этого понадобился бы ускоритель размером с галактику, а это нереально даже для высокоразвитой цивилизации. Однако большая часть исследований в физике сегодня проводится косвенными методами, поэтому можно надеяться, что Большой адронный коллайдер позволит получить энергии, достаточные для тестирования этой теории. Коллайдер может ускорять протоны до триллионов электронвольт – энергии, достаточной, чтобы разбивать атомы. Физики надеются обнаружить новый тип частиц – суперчастицы, или «s-частицы», представляющие собой более высокие октавы суперструн.
Еще один способ косвенным образом проверить эту теорию – проанализировать гравитационные волны Большого взрыва. Детекторам гравитационных волн LISA, возможно, удастся когда-нибудь зарегистрировать гравитационные волны, излученные через одну триллионную долю секунды после рождения Вселенной. Если полученные при этом данные сойдутся с предсказаниями теории струн, она будет раз и навсегда доказана.
«Новая теория никуда не годится, если не базируется на зримом образе, достаточно простом, чтобы понять его мог даже ребенок».
Альберт Эйнштейн
