Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

несовместимых идеях. Гравитация, которая управляет Вселенной на больших масштабах, описывается на математическом языке общей теории относительности Эйнштейна, а действие других сил – электромагнетизма, сильной и слабой ядерных сил – на языке квантовой механики.

Из предыдущих глав должно быть ясно, что при описании прошлого, настоящего и будущего Вселенной космологи должны каким-то образом объединять эти две несовместимые на вид идеи. Во многих случаях удаётся выкрутиться: хотя и гравитация, и остальные силы способны играть важнейшую роль, они часто могут рассматриваться независимо друг от друга. Но в других ситуациях они тесно переплетены: квантовые эффекты влияют на гравитацию, гравитация воздействует на кванты. Именно в местах, где это происходит, – в недрах чёрных дыр, при рождении Вселенной, – и отыскиваются разгадки её главных тайн.

На оставшихся нескольких страницах книги мы попытаемся заглянуть в более близкое будущее – непосредственное будущее нашей науки – и подумать о том, каким может стать следующее научное прозрение и какие тайны Вселенной оно нам раскроет. Но давайте начнём с одной мечты – мечты о «теории всего». Физики надеются открыть единый математический подход, в рамках которого можно будет описать и гравитацию, и квантовые силы одной системой уравнений. Они надеются, что при помощи этого аппарата удастся раскрыть все тайны Вселенной: мы увидим, что происходит в самых таинственных местах, в том числе в центрах чёрных дыр, и поймём, наконец, откуда всё взялось.

Поиски «теории всего» занимали умы многих физиков на протяжении многих лет. Даже Эйнштейн пытался вплести силы электричества и магнетизма в своё описание искривлённого и изогнутого пространства и времени. Пробовали это сделать и другие. Почти сразу после того, как была создана теория относительности, Теодор Калуца и Оскар Кляйн независимо друг от друга попытались представить электромагнетизм и квантовую механику в форме дополнительных измерений в эйнштейновском четырёхмерном пространстве-времени.

Начатый Эйнштейном квест продолжается и по сей день: учёные пытаются унифицировать все фундаментальные силы. Физики пробовали разные подходы, рассматривали различные предположения в поисках нового математического языка Вселенной. Одни двигали вперёд уже известную математику, добавляя к ней новые разделы: не откроют ли они перед нами новые горизонты? Другие пытались расщеплять частицы Вселенной на новые, ещё меньшие части, и строить новую физику с самого начала. Третьи пошли ещё дальше – они разделяли и расщепляли на малые дискретные дольки само пространство-время, чтобы Вселенная как таковая вырастала из какого-то ещё более фундаментального построения. Но до сегодняшнего дня все эти попытки проваливались.

Может быть, кто-то из читающих эти строки совершит наконец долгожданный прорыв! Что для этого нужно?

Как выглядит «теория всего»?

А теперь давайте вихрем пронесёмся по некоторым из идей, которые физики выдвинули в своих поисках «теории всего».[63] Это не будет исчерпывающим перечнем объяснений – скорее дегустацией, итоговой сводкой концепций, оказавших влияние на общественное сознание.

Важно, однако, помнить, что не все эти идеи независимы и что математические приёмы, использованные в них, могут оказаться взаимосвязанными и пересекающимися.

Суперсимметрия

Мы уже говорили о том, как физики любят симметрию. Она придаёт красоту уравнениям, лежит в основе законов сохранения, проясняет общую картину Вселенной. Оказывается, существует особая симметрия, лежащая в основе стандартной модели физики частиц: шесть видов кварков сопряжены с шестью видами лептонов, каждый из которых представлен парами частиц в порядке увеличения массы[64]. Физики привыкли описывать их свойства в математических терминах теории групп, которая охватывает такие виды симметрии.

Некоторые физики задались вопросом, не можем ли мы расширить стандартную модель, накладывая на неё дополнительную симметрию, в результате чего в ней появятся добавочные частицы. При этих условиях у электрона будет суперсимметричный двойник, сэлектрон, а у каждого кварка – скварк. Суперсимметричные партнёры есть и у других частиц: например, у W- и Z-бозонов они называются ви́но и зи́но. Где-то в этой мешанине частиц, возможно, скрывается и гравитон, частица, ответственная за перенос силы гравитации.

Эта теория математически элегантна, она связывает висящие концы, устраняет нестыковки стандартной модели – и, тем не менее, она неверна. Доказательств существования сэлектронов и скварков не обнаружено: эксперименты на Большом Адронном Коллайдере CERN, крупнейшей в истории научной установке, построенной для тестирования границ применимости стандартной модели, не дали никаких намёков на их реальность. Физики, отчаянно пытающиеся спасти эту теорию, предположили, что суперсимметричные частицы настолько массивны, что их трудно получить при энергиях, обеспечиваемых Коллайдером. Но чтобы оправдать это допущение, приходится отказаться от некоторых лежащих в основе модели видов симметрии. Для теории, которая предполагается суперсимметричной, это большой удар. И хоть ещё есть те, кто корпит над изобретением математических приёмов, которые заставили бы суперсимметрию работать, многие убеждены, что этот путь не ведёт к свету.

Теория струн

Теория струн пытается объединить гравитацию и остальные силы, спускаясь на самый нижний, фундаментальный уровень строения материи. В картине мира на этом уровне всё сделано из одних и тех же первоэлементов – крохотных колеблющихся струн. Из струн состоят электроны и кварки; колебания струн рассказывают вам о свойствах, определяющих тот или иной объект. И, хоть это может показаться сумасшедшей фантазией, но у этих вибрирующих струн есть математические свойства, очень заманчивые для физиков: они делают струны очень похожими на частицы, которые мы наблюдаем.

Эта теория органически описывает силу гравитации: гравитон оказывается просто одной из колеблющихся струн. Вся картина выглядит так просто! Всё, абсолютно всё на основном уровне состоит ровно из одних и тех же элементов. Но, чтобы теория струн заработала, требуется крайне запутанная математика. Одна из самых затруднительных её деталей заключается в том, что для обеспечения колебаний струн нужны дополнительные измерения пространства – и не одно, не два и не три. В некоторых версиях теории струн у Вселенной должно быть 26 измерений.

«Где же все эти измерения?» – кричат критики. Но специалисты по струнам быстро придумали отговорку, которую назвали компактификацией. Любое нежелательное измерение, которого мы в обычных обстоятельствах не наблюдаем, аккуратно свёрнуто или скатано в комочек, чтобы не доставлять лишних хлопот. Струнные теоретики упорно развивают математический аппарат своей теории. Оказывается, однако, что предполагаемый размер струн настолько мал, что нет никакой надежды добраться до них даже при помощи Большого Адронного Коллайдера. Чтобы экспериментально протестировать существование струн, потребовался бы коллайдер размером с Млечный Путь! Построить такую установку пока, видимо, не удастся, и разработчикам теории струн остаётся лишь продолжать свои математические игры. В отсутствие каких-либо экспериментальных доказательств некоторые противники теории струн договорились до того, что даже не считают её настоящей наукой!

M-браны

То, что из теории струн не удалось сделать «теорию всего», не мешает людям продолжать попытки открытия новых горизонтов. Теория струн переросла в M-теорию, разработанную в 1995 году Эдвардом Виттеном.