Тайны открытий XX века - Александр Волков

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.