Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

При такой температуре жизнь существовать не может.

Движущей силой ускоряющегося расширения является, возможно, то, от чего уже однажды отказался Эйнштейн в 1920-е гг., – космологическая постоянная, энергия вакуума, которую теперь называют темной энергией. Удивительно, но количество темной энергии во Вселенной огромно. Более 68,3 % всей материи и энергии во Вселенной находится в этой загадочной форме. (Вместе темная энергия и темная материя составляют большую часть материи / энергии во Вселенной, но это две разные сущности и путать их друг с другом не следует.)

По иронии судьбы, ни одна из известных теорий не позволяет объяснить все это. Если попытаться просто подсчитать количество темной энергии во Вселенной (опираясь на постулаты теории относительности и квантовой теории), мы получим величину, которая в 10120 раз превосходит реальную! (10120 – это единица со 120 нулями.)

Это, безусловно, самое масштабное расхождение между теорией и экспериментом в истории науки. Да и ставки в этой игре такие, что больше не бывает: на кону конечная судьба самой Вселенной.

Разобравшись в этой проблеме, мы узнаем, как умрет наша Вселенная.

Разыскивается гравитон

После нескольких десятилетий затишья в области исследований общей теории относительности недавнее применение к ней квантовой теории открыло перед учеными неожиданные горизонты, особенно сейчас, с появлением новых мощных инструментов. На наших глазах появляются все новые и новые направления исследований.

До сих пор мы говорили о применении квантовой механики только к материи, которая движется в гравитационных полях Эйнштейновой теории. Мы не касались гораздо более сложного вопроса – применения квантовой механики к самой гравитации в форме гравитонов.

Именно здесь мы сталкиваемся с величайшей проблемой – с поиском квантовой теории гравитации, десятилетиями ставившим в тупик величайших физиков мира. Прежде всего посмотрим, что нам удалось узнать к настоящему моменту. Мы помним, что при применении квантовой теории к свету было введено понятие фотона – частицы света. При движении фотон окружают электрическое и магнитное поля, которые колеблются, пронизывают пространство и подчиняются уравнениям Максвелла. Именно поэтому свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Мощь уравнений Максвелла заключается в их симметричности, то есть способности превращать электрическое поле в магнитное и наоборот – магнитное в электрическое.

При столкновении фотона с электронами уравнение, которое описывает это взаимодействие, выдает бесконечные результаты. Однако при помощи фокусов, придуманных Фейнманом, Швингером, Томонагой и другими, мы можем спрятать эти бесконечности. Родившаяся в результате этого теория получила название квантовой электродинамики. Затем мы применили этот метод к ядерному взаимодействию: заменили первоначальное поле Максвелла полем Янга – Миллса, а электрон заменили серией кварков, нейтрино и т. п. На следующем этапе мы применили новый набор фокусов, изобретенных 'тХоофтом и его коллегами, чтобы вновь устранить все расходимости.

Таким образом, три из четырех фундаментальных взаимодействий Вселенной удалось объединить в единую теорию – Стандартную модель элементарных частиц. Эта теория не особенно красива, поскольку собрана из симметрий сильного и слабого ядерных взаимодействий и электромагнитного взаимодействия. Так или иначе, она работала. Однако попытка применить этот опробованный на практике метод к гравитации приводит к проблемам.

В теории частицу гравитации следует называть гравитоном. Аналогично фотону это точечная частица, и при движении со скоростью света ее окружают волны гравитации, которые подчиняются уравнениям Эйнштейна.

Пока все хорошо. Проблема возникает, когда гравитон сталкивается с другими гравитонами, а также с атомами. Если попытаться применить все те фокусы, которые ученые с таким трудом изобретали последние семьдесят лет, выяснится, что ни один из них не работает. Величайшие умы столетия неоднократно пытались решить эту проблему, но до сих пор никто не добился успеха.

Ясно, что здесь требуется совершенно новый подход, поскольку все простые идеи уже исследованы и отброшены. Нам нужно что-то по-настоящему свежее и оригинальное. И все это ведет к самой противоречивой теории в физике – теории струн, которая как раз и может оказаться достаточно безумной, чтобы занять место теории всего.

Итак, мы видим, что на рубеже XIX и XX веков в физике было два великих столпа: закон всемирного тяготения Ньютона и уравнения Максвелла для света. Эйнштейн понимал, что они конфликтуют друг с другом и одному из них суждено рухнуть. Падение Ньютоновой механики дало толчок великим научным революциям двадцатого столетия.

Не исключено, что сегодня история повторяется. В физике вновь существуют два столпа. С одной стороны, у нас есть теория очень большого – теория гравитации Эйнштейна, которая дает нам черные дыры, Большой взрыв и расширяющуюся Вселенную. С другой стороны, у нас есть теория очень маленького – квантовая теория, которая объясняет поведение элементарных частиц. Проблема в том, что эти теории противоречат друг другу. Они опираются на разные принципы, разную математику и разную философию.

Мы надеемся, что следующая великая революция объединит два этих столпа.

Теория струн

Все началось в 1968 г., когда два молодых физика, Габриэль Венециано и Махико Судзуки, копаясь в математических книгах, наткнулись на странную формулу, которую математик Леонард Эйлер вывел еще в XVIII веке. Эта странная формула, похоже, описывала рассеяние двух элементарных частиц! Как могла абстрактная формула из XVIII века описывать результаты, полученные на современных ускорителях? В физике так не бывает.

Позже физики, включая Йоитиро Намбу, Хольгера Нильсена и Леонарда Сасскинда, поняли, что эта формула представляет взаимодействие двух струн. Очень быстро ее удалось распространить на целую армию уравнений, представляющих рассеяние мультиструн. (Между прочим, моя докторская диссертация была посвящена расчету полного набора взаимодействий для произвольного числа струн.) Затем исследователи смогли ввести в теорию струн вращающиеся частицы.

Теория струн стала чем-то вроде нефтяной скважины, неожиданно выбросившей фонтан новых уравнений. (Лично меня это не устраивало, поскольку физика еще со времен Фарадея была представлена полями, содержавшими в сжатой форме огромное количество информации. Теория струн, напротив, представляла собой набор разрозненных уравнений. Нам с коллегой Кейдзи Киккавой[41] тогда удалось перевести всю теорию струн на язык полей, создав то, что называют струнной теорией поля. При помощи наших уравнений можно свести теорию струн в одно уравнение теории поля длиной не больше дюйма.)