Тайны открытий XX века - Александр Волков

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.