Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Средневековые астрономы, алхимики и химики бросили вызов греческой картине мира. Кеплер сбросил окружности, описывающие орбиты планет, с пьедестала, заменив их более сложными и менее симметричными эллипсами. Но Кеплер также верил в пифагорейскую математическую гармонию. В его времена были известны только пять больших планет: Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и, разумеется, Земля. Кеплер был глубоко впечатлён тем фактом, что геометрия допускает существование только пяти правильных многогранников, пяти платоновых тел: тетраэдра, октаэдра, куба, икосаэдра и додекаэдра.[46] И он не устоял перед соблазном связать пять планет с пятью платоновыми телами и построил модель Вселенной, состоящую из пяти вложенных друг в друга правильных многогранников, с целью объяснить значения расстояний между Солнцем и планетами с помощью геометрических соотношений. Я не уверен, можно ли считать такую теорию элегантной, но она безусловно однозначна: существуют только пять платоновых тел, привязанных к пяти планетам. Хотя, с физической точки зрения, эта теория была, конечно же, полной ерундой.

В то же самое время алхимики вынуждены были признать, что в природе существует гораздо больше четырёх элементов. К концу XIX столетия химики открыли уже почти сотню химических элементов, и природа потеряла часть своей красоты. Периодическая система внесла в химию некоторый порядок, но и он далёк от той простоты и однозначности, которые обеспечивала древнегреческая метафизика.

Но затем, в начале XX века, Бор, Гейзенберг и Шрёдингер открыли принципы квантовой механики и атомной физики, что позволило подвести под химию строгую теоретическую базу. Число фундаментальных элементов природы снова сократилось до четырёх, только теперь это были не древнегреческие вода, земля, огонь и воздух, а уже знакомые нам фотон, электрон, протон и нейтрон. Все свойства химических элементов теперь можно было (по крайней мере, в теории) вывести из свойств четырёх элементарных частиц. Простота, элегантность и однозначность снова оказались в наших руках. Основные принципы теории относительности и квантовой механики в сочетании с четырьмя элементами материи позволяли объяснить любые сколь угодно сложные химические реакции – лишь бы только нам хватило вычислительных мощностей для решения соответствующих уравнений. Наука оказалась очень близко к идеалу, к которому так стремились физики.

Но увы, не тут-то было. Новые элементарные частицы стали открываться оптовыми партиями: нейтрино, мюоны, так называемые странные частицы, мезоны и гипероны – ни одной из этих частиц не находилось места в простом порядке вещей. Они не играли существенной роли в описании материи, но факт их существования мутил воду. Физикам 1960-х годов уже не хватало латинских и греческих букв для обозначения новых элементарных частиц. Будучи молодым физиком, лелеявшим надежду найти красоту и элегантность в законах природы, я вместо этого находил удручающий беспорядок в моей любимой науке.

В 1970-х наконец-то забрезжил луч надежды. Вместо протонов, нейтронов и мезонов на роль элементарных частиц были назначены кварки, и одна квантовая теория поля, называемая квантовой хромодинамикой (или, сокращённо, КХД), смогла объяснить все свойства протонов, нейтронов, мезонов, атомных ядер и менее известных странных частиц (частиц, в состав которых входят странные кварки). Число основных элементов природы снова существенно сократилось. В то же время появилась возможность представить электроны и нейтрино как частицы-близнецы, связанные глубокой симметрией. В перетягивании научного каната снова начала побеждать команда простоты. Наконец, к середине 1970-х годов полностью сформировалась Стандартная модель, претендующая на описание всех известных явлений (по крайней мере, так утверждается), но при этом она содержала около 30 свободных параметров. Короче, состязание между элегантностью и неуклюжестью продолжается, и перспективы каждой из команд на окончательную победу пока туманны.

Теория струн и развенчание мифа

Перейдём к теории струн. Красива она, как утверждают её сторонники, или уродлива, как считают критики? Прежде чем обсуждать эстетическую сторону теории струн, позвольте вкратце рассказать, зачем она вообще нам понадобилась. Если, как я уже говорил, Стандартная модель описывает все известные явления, зачем теоретикам понадобилось лезть дальше в математические дебри? Должен признаться, что на самом деле Стандартная модель описывает не все известные явления. В частности, она не описывает гравитацию. Гравитация является самой привычной нам силой, с ней мы сталкиваемся ежедневно, и, вероятно, гравитация также является самой фундаментальной силой во Вселенной. И вот представьте: для гравитации не нашлось места в Стандартной модели. Гравитон (квант гравитационного поля) не включён в список частиц Стандартной модели. Чёрным дырам – возможно, самым интересным объектам во Вселенной – не нашлось места в теории. И хотя классическая теория гравитации Эйнштейна является самой красивой из всех теорий, пока не видно способа втиснуть её в квантовый мир.

В большинстве случаев гравитация не играет никакой роли в физике элементарных частиц. Как мы увидим далее, гравитационное взаимодействие между двумя кварками на много порядков слабее всех других фундаментальных сил природы. Гравитация слишком слаба, чтобы играть сколько-нибудь заметную роль в экспериментах с элементарными частицами в обозримом будущем. Именно поэтому физики, изучающие элементарные частицы, традиционно игнорируют гравитационные эффекты.

Но существуют две причины стремиться к более глубокому пониманию связи между гравитацией и микроскопическим квантовым миром. Первая причина связана со строением элементарных частиц. Хотя гравитационное взаимодействие между электронами в атомах или между кварками в протонах пренебрежимо мало, оно может стать существенным на более малых расстояниях. Все силы растут с уменьшением расстояния, но гравитация растёт быстрее других. На планковских расстояниях гравитационное взаимодействие становится не только сильнее электромагнитного, но даже сильнее взаимодействия между кварками. Если парадигма «матрёшки» (все вещи состоят из ещё более мелких вещей) справедлива для любых расстояний, то вполне может оказаться, что обычные элементарные частицы состоят из ещё более мелких частиц, связанных вместе силой гравитации.

Вторая причина глубже понять связь между гравитацией и квантовой теорией имеет отношение к космологии. В следующей главе мы увидим, как гравитация управляет расширением Вселенной. Когда Вселенная была молодой и расширялась с умопомрачительной скоростью, гравитация и квантовая механика вносили в этот процесс сравнимые по величине вклады. Отсутствие понимания связи между этими двумя величайшими теориями подрывает наши усилия добраться в изучении Вселенной до начала Большого взрыва.

Но есть и третья причина, толкающая физиков к объединению квантовой механики и общей теории относительности, – эстетическая. Для физиков, в отличие от поэтов, величайшее преступление против эстетики – несогласованность. Несогласованность теории является вопиющим посягательством на те общефизические ценности, которыми мы дорожим, даже более вопиющим, чем уродливость теории. А на протяжении всего XX столетия гравитация и квантовая механика оставались несогласованными.

И вот пришла теория струн. Мы не станем вдаваться в детали теории струн до седьмой главы, но сейчас я должен сказать, что теория струн – это именно та теория, которая последовательно объединяет гравитацию и квантовую механику. Многие теоретики, в число которых вхожу и я, имеют сильное предчувствие, что теория струн – наша единственная надежда примирить эти два столпа современной физики. Что же в теории струн заставляет нас испытывать подобное предчувствие? Мы испробовали множество других подходов, но эти попытки терпели фиаско в самом начале. Например, была попытка построить на основе общей теории относительности квантовую теорию поля. Математики быстро обнаружили её несогласованность. Кроме того, даже если и удавалось написать осмысленные уравнения, они оставляли чувство эстетической неудовлетворённости. В каждой такой попытке гравитация оказывалась чужеродной добавкой, то есть гравитационное взаимодействие просто добавлялось в уже существующую теорию, например в квантовую электродинамику. Неудивительно, что подобные попытки терпели неудачу. Но теория струн – совершенно другая. Сосуществование квантовой механики и теории гравитации является абсолютно неизбежным условием математической согласованности. Теория струн единственная из всех создаёт впечатление настоящей теории квантовой гравитации. Это не мелочь, учитывая, что два гиганта – Общая теория относительности и квантовая механика – были в состоянии войны друг с другом большую часть XX века. Я бы сказал, что эта неизбежность прекрасна.