Единая формула, что объяснит все сущее, — давняя мечта физиков. Однако ее по-прежнему не удается найти. Недостаток теории струн, например, в том, что она предполагает наличие дополнительных пространственных размерностей. Почему некоторые из них затеряны в микромире, а другие устремлены в бесконечность? Поиск единой формулы продолжится и в XXI веке.

Вдруг комната наполнилась протяжными, вибрирующими звуками, соединение которых мгновенно залило мое воображение.

 

В поисках «потерянного Рая»

С давних времен ученые пытаются объяснить мир, описать его простой, красивой формулой. Что может быть прекраснее, чем, к примеру, единая формула мироздания, выражающая суть всего, что ни происходит на свете? «Эта формула, вероятно, ответит на вопрос о природе темной материи, — говорил в одном из интервью американский физик Стивен Уайнберг, — и позволит понять, каким было начало нашего мироздания. Что тогда произошло? Был ли Большой Взрыв уникальным событием или же элементом некоего более масштабного процесса?» Эта формула наконец сведет воедино оба столпа современной физики: квантовую механику и общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Квантовая механика описывает поведение отдельных атомов. В повседневной жизни нам незачем учитывать квантовые эффекты; они наблюдаются лишь в микромире. Общая теория относительности, наоборот, описывает происходящее в макромире. Это — закон, по которому живет мироздание.

Конечно, хорошо было бы соединить обе теории! Вот бы и получилась единая формула мироздания, описывающая все — от дальнего уголка Вселенной до глубин материи, от микромира до макромира. Однако у этой задачи нет простого решения. Обе теории частично противоречат друг другу.

Поэтому физики пытаются создать теорию, которая содержала бы квантовую механику и теорию относительности лишь как «частные случаи». Сама же она должна выходить далеко за их рамки. Она призвана объединить все четыре основных взаимодействия, существующих в природе: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

В электромагнитном взаимодействии участвуют частицы, имеющие электрический заряд или магнитный момент. Слабое взаимодействие обусловливает в большинстве случаев распад элементарных частиц, а также взаимодействие нейтрино с веществом. Радиус действия этой силы крайне мал: уже на расстоянии, равном сотой части диаметра протона, ее действие неощутимо. Сильное взаимодействие — оно и впрямь является самым сильным из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц — удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а также сами протоны и нейтроны внутри атомного ядра.

Поиск единой формулы сродни исканию «потерянного Рая». Ведь когда-то, пусть считанные мгновения, мир в самом деле был прост и един. Около четырнадцати миллиардов лет назад — в момент Большого Взрыва — во Вселенной действовала единая «Сверхсила». Она определяла развитие материи, времени и пространства. Через считанные доли секунды она «распалась» на четыре известных нам сейчас взаимодействия.

Если бы мы воспроизвели условия, царившие в момент Большого Взрыва, подчеркивал Стивен Уайнберг, то эти силы снова бы образовали ту самую «Сверхсилу». По его словам, «возможно, к середине XXI века мы сумеем создать теорию, объединяющую их».

У скептиков, правда, свое особое мнение. На их взгляд, «всемирная формула» — «Theory of Everything», — если она будет открыта, может оказаться бесполезной, недоказуемой, непонятной. Возможно, человек никогда не извлечет из нее практического смысла. Возможно, что ее не поверить даже экспериментом. Ее красоту оценят лишь немногие знатоки.

Первый успех к знатокам пришел в 1968 году, когда сам Уайнберг, а также уроженец Пакистана Абдус Салам и Шелдон Глэшоу из Гарвардского университета создали объединенную теорию электромагнитных и слабых взаимодействий (одиннадцать лет спустя ученые удостоились Нобелевской премии).

Однако все попытки включить в эту формулу гравитацию были безуспешны. Она так и осталась «пятым колесом в научной телеге». Ее описывает общая теория относительности Эйнштейна, но эта теория оставляет двоякое впечатление: если в макромире — в мире космических мерок — она блестяще подтвердилась, то в мире элементарных частиц дает сбой. Она не согласуется с квантовой механикой — основным уставом микромира. К каким бы математическим трюкам ни прибегали ученые, чтобы «квантизировать» гравитацию, всякий раз вместо одного противоречия появлялось другое, столь же абсурдное: когда две точечные частицы бесконечно сближаются, сила их притяжения бесконечно растет и утрачивает всякий смысл.

Вообще-то сама природа развела теорию гравитации и квантовую механику по разным «вотчинам мироздания». Однако в момент Большого Взрыва Микрокосм на миг встретился с Макрокосмом. Стандартная модель не способна описать эту первородную стихию.

Анализируя на страницах журнала «Знание — сила» итоги развития современной физики, российский физик B.C. Барашенков писал: «Не будет преувеличением сказать, что сегодня физики запутались в формулах. Существует множество путей для развития теории, и не ясно, какой из них предпочтительнее. Сейчас в этой области работает сравнительно небольшое число специалистов, занятых изучением очень сложных и неоднозначных математических структур. Такое впечатление, что известные физические идеи себя исчерпали и для дальнейшего продвижения нужна новая экспериментальная информация. Возможно, ее дадут опыты на создаваемых сверхмощных ускорителях».

 

Мир, вытянутый в М-струнку

Сейчас, по мнению многих ученых, среди теорий, притязающих на универсальность, наиболее перспективна «теория струн», которую, действительно, можно назвать «революционной модификацией теории Эйнштейна». По словам американского физика Гордона Кейна, «возможно, теория струн или один из ее вариантов позволят нам не только вычислить массу электрона и другие величины, но и обосновать свойства пространства-времени и правила квантовой теории».

Главная ее идея родилась еще в 1968 году, но не вызвала интереса ввиду некоторых очень странных допущений — их приходилось делать одно за другим. Это выглядело полнейшим произволом в теории.

Все началось с того, что британский физик Майкл Грин и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что квантовая механика несоединима с общей теорией относительности потому, что элементарные частицы априори считаются бесконечно малыми точками. Все изменится, если предположить, что они имеют конечные размеры — например, напоминают крохотную одномерную нить. Допустим, Вселенная на недоступном нам микроуровне — основе ее основ — заполнена незримыми нитями, или — почему бы их так не назвать? — струнами (strings). Их длина не может быть меньше 10-33 (десять в минус тридцать пятой степени) сантиметра; это — природная константа, мельчайший квант длины.

Так художник представляет себе незримые энергетические «струны», из которых, возможно, состоит все наше мироздание

По данной идее, которую трудно поверить рассудком, все элементарные частицы — электроны, протоны, кварки — представляют собой не что иное, как вибрации тех незримых струн. Каждый из «квантовых тонов» соответствует определенной частице, например, кварку или электрону. Сами «струны» представляют собой энергию в чистом виде.

Итак, все известные нам «кирпичики мироздания» возникают подобно звукам, рождаемым при колебании гитарной струны. Внезапно все наполнилось протяжными, вибрирующими звуками… Это — мелодии, долетающие из невидимого Ничто в микромир, чтобы потом эхом — сложной симфонической картиной — отозваться в макромире, порождая зримые образы объектов. Из звучания этих струн рождается опус, который носит название «Вселенная».

Итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн

Правда, нечто подобное высказывали и до Шварца с Грином, но на эту идею не обратили внимания, ведь она не поддавалась математическому решению. Струны «отказывались» вибрировать в трехмерном пространстве. Тогда — фантазировать так фантазировать! — Шварц и Грин (при одном звуке их фамилий вспоминаются сказочник Евгений Шварц и мечтатель Александр Грин) решили следовать лишь неумолимой логике, игнорируя любые практические соображения. Выяснилось, что в десятимерном пространстве эта теория вполне справедлива. Абсурд! — который, на первый взгляд, был хорош только одним: математически точно связывал все несоединимое прежде.

Значит, если следовать данной логике, мы живем… в десятимерном пространстве? И те же электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных? Быть может, наша Вселенная — всего лишь одна из граней этого пространства? «И наша неспособность воспринимать все десятимерное великолепие пространства, — пишет на страницах журнала «Scientific American» итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн, — объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц?»

Как подчеркивал B.C. Барашенков, «в это десятимерное пространство может быть вложено огромное число трехмерных миров. Не означает ли это, что где-то по соседству с нашей существует множество других “параллельных” вселенных и мы можем ждать не только радиосигналов с далеких звезд, но и гравитационных телеграмм из других измерений?»

Триада ортов X, Y, Z — эта ортогональная проекция, угадываемая в любом углу наших комнат и кабинетов, — мешала следовать данной логике. Окружающее нас пространство было трехмерным; оно знало лишь длину, ширину, высоту, да еще «перпендикулярно» всей действительности, из прошлого в будущее, текло время.

Если же довериться выводам Шварца и Грина, то сказочные чудеса будут подстерегать нас на каждом шагу: в запертом помещении станут сами собой исчезать или появляться предметы, содержимое кошелька неожиданно растворится в воздухе, чтобы отыскаться в кармане вашего соседа по вагону метро; закон сохранения энергии и импульса будет нарушаться на каждом шагу. Мыслимо ли такое?

Что ж, пришлось признать, что большая часть размерностей… бесконечно мала. Они никак не проявляются в окружающем нас мире и не играют, очевидно, в нем никакой роли. Они свернуты в крохотные клубочки величиной с саму струну и недоступны для измерения. Они таятся где-то в глубинах микромира — в этом причудливом мире, который, как кажется нам сейчас, еще менее понятен, чем астрономическая даль, эта россыпь галактических скоплений, уходящих в неизвестность. Значит, в любой точке четырехмерного пространства-времени скрывается подобный клубочек свернутых размерностей, которые, пусть и остаются невидимы, но вполне могут определять свойства элементарных частиц, например, их массу и электрический заряд.

Столь вольное обращение с пространственными измерениями было, впрочем, в традициях физики. В 1921 году польский исследователь Теодор Калуца попробовал описать электромагнитные силы… как результат искривления пространства в гипотетическом четвертом измерении. Его шведский коллега, Оскар Клейн, пытаясь приблизить к практике эту чисто математическую модель, придал четвертому измерению микроскопически малые размеры. По его расчетам, оно соответствовало постоянной Планка, то есть десяти в минус тридцать третьей степени сантиметра. Спустя десятилетия ученые вновь вернулись к такого рода математическим моделям. И даже заново описали историю нашей многомерной Вселенной.

По мнению Шварца и Грина, лишь вспышка Большого Взрыва высветила размерности, скрытые во Вселенной. Из их множества по какой-то странной причине выкристаллизовались всего четыре нормальные размерности. Все они — видимые и невидимые — несомненно, очерчивают одно: пределы нашего знания. За ними пребывает Ничто, не воспринимаемое нами никак и не постижимое никем и никогда.

Подобная гипотеза противоречила всем прежним воззрениям. Кроме того, проверить ее экспериментальным путем было нельзя. Согласно расчетам, длина струны составляет всего десять в минус тридцать третьей степени сантиметра, что опять же примерно соответствует постоянной Планка. Итак, струна в 100 000 000 000 000 000 000 (сто миллиардов миллиардов) раз меньше протона. Следующее сравнение поможет понять пропорции. Если бы удалось увеличить струну хотя бы до полусантиметра, то атом водорода достиг бы размеров Млечного Пути.

Согласно теории струн, сразу после Большого Взрыва десятимерное пространство свернулось в крохотный шар. Его диаметр был в 1020 (десять в двадцатой степени) меньше диаметра атомного ядра. Затем четыре размерности стремительно вытянулись, образовав мир, в котором мы живем. Остальные шесть остались крохотными и незримыми. Можно сравнить размерности мироздания с десятью маленькими почками. Из четырех «почек» выросли привычные нам пространство и время; остальные так и не проклюнулись.

… Стоит передохнуть от абсурдных открытий и сделать теологический экскурс. В «Евангелии от Иоанна» сказано: «В начале было Слово». С фонетической точки зрения, слово состоит из гласных и согласных звуков, заставляющих по-разному вибрировать наш слуховой аппарат. Итак, эту знаменитую фразу — если обращаться с ней так же вольно, как Грин и Шварц с картиной мира, — можно истолковать в том смысле, что в начале всех начал была вибрация, породившая все мироздание. Отсюда легко перейти к новейшему научному убеждению: «В начале была Струна». Именно колебания струн породили весь зримый мир.

Теперь весь вопрос был в том, имеет ли эта умозрительная философия хоть что-то общее с действительностью. Теоретиков успокаивал пример Эйнштейна. В свое время он тоже отказался от привычных представлений о пространстве и времени и был прав. Возможно, так произойдет и с теорией струн.

В 1999 году в Потсдаме (Германия) состоялась международная конференция по теоретической физике, на которой четыре сотни ученых обсуждали единую формулу мироздания. На этой фотографии участники конференции; на переднем плане Стивен Хоукинг 

Однако у многих ученых эта идея по-прежнему вызывала скепсис. Для них казалось неприемлемым решать сложную физическую проблему с помощью легкомысленных трюков. Знаменитый физик Ричард Фейнман, преподававший вместе с Шварцем в Калифорнийском технологическом, на каждом шагу посмеивался над своим «незадачливым» коллегой. Едва завидев его, Фейнман говорил: «Ну что, в каком измерении ты сегодня живешь?»

Ключевую роль в судьбе этой идеи сыграл небольшой симпозиум физиков, проводимый каждое лето в одном из курортных местечек в Скалистых горах. Здесь в 1984 году Грин и Шварц показали коллегам, что, соединяя гравитационную теорию с квантовой механикой, можно избавиться от пресловутых «бесконечных величин», если только взять за основу «теорию струн».

Постепенно многие физики перешли на их сторону. И все из-за мороки с гравитацией! За их лабильность их ждала награда: в «теории струн» неизбежно появлялась новая элементарная частица, которая обладала свойствами гравитона — особой,

не найденной пока частицы, якобы передающей действие гравитации. В отличие от некоторых других элементарных частиц, например, электрона, частица гравитации свободно перемещалась во всем десятимерном пространстве.

В последующие годы на основе «теории струн» возникло несколько разных концепций. Все они притязали на то, что абсолютно точно описывают мироздание. Какая из них верна? «Если одна из них описывает наш мир, то кто живет в остальных?» — так образно обрисовал эту проблему американский физик Эдвард Уиттен, один из крупнейших специалистов в области «теории струн».

Воистину судьбоносной для нее оказалась конференция физиков, проведенная в 1995 году в Лос-Анджелесе. Тот же Эдвард Уиттен предложил выход из тупиковой ситуации: так называемую «М-теорию».

Согласно ей, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей. Его частными случаями являются все «открытые на кончике пера» десятимерные Вселенные. Внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны. Они обладают р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной… Подобным образом можно истолковать и браны более высоких размерностей. Так, стремительные колебания струн были заменены вибрациями мембран, напоминающих, как шутят физики, своего рода «мыльные пузыри», сплетенные из множества крохотных струн, причем, по предположению ряда теоретиков, некоторые частицы, например, гравитоны, не прикреплены к мембранам и свободно перемещаются по всему многомерному пространству.

Итак, наша Вселенная — одна из многих мембран, дрейфующих в этом пространстве. Иногда мембраны сталкиваются, и тогда в них происходит очередной Большой Взрыв. Потом они расходятся, ускоренно расширяются и сближаются вновь, чтобы столкнуться. Впрочем, это лишь гипотетическая модель.

Сама же теория струн, которая скоро отметит свое сорокалетие, по-прежнему далека от того, чтобы занять место на страницах школьных учебников. Образ вибрирующей струны или мембраны — как «основы основ» всех элементарных частиц — очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Как иронично замечают сами физики, он «уводит нас в джунгли различных способов компактификации (свертки) лишних измерений, топологических особенностей экстраразмерностей и прочих очень трудных и абстрактных проблем». Пока ученые не могут даже завершить детальное описание М-теории, ведь Уиттен лишь постулировал ее. Для ее описания понадобится большая часть известных математических методов, в том числе тех, которые долгое время считались совершенно бесполезными. Как иронично заметил Уиттен, «теория струн — это физика XXII века, случайно попавшая в XXI век».

 

В ожидании коллайдера

Окончательно правота «теории струн» может выясниться лишь в лаборатории. До тех пор, пока опытным путем не удастся хоть косвенно подтвердить эту теорию, она останется блестящей игрой ума.

Да, мы не можем строить ускорители длиной во всю Галактику, чтобы исследовать «музыку невидимых струн». Да, нам никогда не заглянуть в таинственный «черный ящик», где хранится опись мельчайших элементов природы. Однако уже в ближайшие годы можно начать проверку предсказательной способности этой теории. Так, она предполагает существование суперсимметричных частиц (согласно гипотезе, у каждой частицы есть свой двойник; значит, во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям). Итак, если фантомы, созданные теорией струн, преспокойно живут, значит, на теорию можно полагаться. Подлинная модель Вселенной потому и будет называться подлинной, что станет предсказывать еще неведомые феномены, как Периодическая таблица Менделеева прогнозировала свойства неоткрытых химических элементов.

В 2007 году в Европейском центре физики элементарных частиц вступит в строй новый коллайдер. При столкновении частиц на нем будет выделяться достаточно энергии, чтобы получить суперсимметричные элементарные частицы. Возможно, в ближайшие годы их удастся обнаружить. Тогда наконец ученые выберутся за пределы Стандартной модели мироздания.

Подобное открытие может прояснить структуру Вселенной. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Значит, таинственная темная материя, возможно, состоит из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания.

В любом случае можно поверить в прозорливость Эдварда Уиттена, сказавшего, что в ближайшие полвека теория струн будет так же определять развитие физики, как в последние полвека его определяла квантовая теория.

В окрестностях Женевы ведется строительство Большого адронного коллайдера

Итак, теория струн, по большому счету, создана для того, чтобы сблизить гравитацию с тремя остальными фундаментальными взаимодействиями. Есть и другой подход — создание квантовой теории геометрии. В этом случае можно обойтись без конструирования дополнительных размерностей, чье существование мы пока не можем обнаружить. Зато появляются отдельные «атомы пространства».

«Пространство нельзя считать непрерывным, оно имеет структуру, напоминающую атомарную, — подчеркивает один из поборников этой теории, американский физик Ли Смолин. — В одном кубическом сантиметре, показывает несложный расчет, “атомов пространства” больше, чем кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной».

Однако и квантовая геометрия до сих пор не сформулирована окончательно. Можно лишь предположить, что М-теория, как и квантовая теория геометрии, являются лишь частными случаями некой обобщенной модели, описывающей все феномены мироздания. Если бы ее удалось создать, признался как-то британский физик Стивен Хоукинг, «это была бы формула Бога, формула, по которой Он сотворил мир».

Путь к единой формуле мироздания еще долог. Однако если вспомнить, какой путь проделала физика в XX веке — путь, увенчавшийся становлением квантовой механики и общей теории относительности, то можно предположить, что и XXI век станет временем торжества двух фундаментальных физических теорий — квантовой геометрии и обобщенной теории струн.