Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Таким образом, мы можем с интересом наблюдать, как в последние годы физики упорно строят грандиозное здание обобщенной теории относительности, внутри которого старая теория Эйнштейна будет занимать лишь один из множества залов. В свое время физико-геометрические идеи Эйнштейна и его предтечи Лобачевского потрясли ученый мир новыми фундаментальными представлениями об окружающей Вселенной. Какими же удивительными должны быть выводы сверхновой, более глубокой и общей теории!

В своей замечательной книге «Этюды о симметрии» американский физик-теоретик Юджин Поль Вигнер все наши знания по физике разделил на три уровня. Первый — сведения о различных явлениях, второй — объединяющие их законы и, наконец, третий, высший уровень — симметрии, которые устанавливают связи между самими законами.

Физики понимают симметрию как своеобразную «стойкость» материальной системы к внешнему воздействию на ее отдельные параметры. Можно говорить, например, о симметрии по отношению к пространственным сдвигам, о симметрии всех явлений природы при замене частиц на античастицы, о симметричности свойств частиц по отношению к какому-то типу взаимодействий и так далее.

Так вот, Вигнер считает, что симметрия — это самое главное, что есть в физике. И с ним трудно не согласиться. Ведь симметрии связаны с законами сохранения, на которых держится вся физическая наука. Законы сохранения устанавливают ограничения на возможные движения системы и происходящие в ней процессы. Их знание чрезвычайно важно для понимания ее свойств. Образно говоря, симметрии и законы сохранения выполняют роль железного каркаса, на котором держится здание физической теории.

В фундаменте современной физики элементарных частиц лежит теория симметрии, обессмертившая имя французского математика Эвариста Галуа.

Подобно тому как периодическая система элементов Д. И. Менделеева дает возможность предсказывать существование элементов с конкретными свойствами, теория Галуа позволяет предсказывать существование еще неизвестных свойств микрообъектов с данной симметрией. Трудно переоценить пользу такой теории! Это похоже на то, как если бы, плутая в Королевстве кривых зеркал, мы вдруг нашли волшебные очки и прихотливо изогнутый, деформированный мир приобрел бы для нас четкие формы. Открытие новых мультиплетов элементарных частиц — очень важное событие в физике, порождающее лавину экспериментальных и теоретических исследований. Это поворотные пункты в развитии физической науки, когда она получает в свое распоряжение карту нового района Страны неизвестного. Но чтобы пользоваться этой картой, сначала нужно определить на ней масштабы расстояний и высот местности, то есть своеобразным образом ее прокалибровать.

Мы уже знаем, что четыреста с лишним лет назад великий Галилео Галилей открыл замечательную симметрию двух систем координат — неподвижной и равномерно движущейся вдоль прямой линии. Физические процессы протекают в них совершенно одинаково. Находясь внутри закрытой кареты, никакими опытами нельзя установить, стоит она на месте или равномерно движется. Галилей установил эту симметрию для небольших скоростей и только для механических процессов. Других возможностей у него не было. В начале прошлого века было доказано, что данная симметрия сохраняется при любых скоростях, вплоть до самых больших, близких к скорости света, и не только для механических, но вообще для любых физических процессов.

А можно ли найти еще более общую симметрию? Теория как бы подсказывает путь ее развития — нужно только открыть еще одну симметрию, но такую общую, чтобы она охватывала все известные нам виды материи.

Мы уже знаем, что квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии. С другой стороны, физики давно уже открыли у элементарных частиц своеобразное внутреннее «вращательное» движение и назвали его спином.

Вернемся теперь к квантовой теории тяготения, которая основывается на гипотезе существования гравитона — кванта поля тяготения. Гравитон подобен фотону — это безмассовая частица, движущаяся со скоростью света. Гравитон должен проявлять свои уникальные свойства на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Поле тяготения в таких масштабах приобретает совершенно новые черты и становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и создается героическими усилиями интернационального коллектива физиков многих стран. Однако главным препятствием для развития этой замечательной теории остается отсутствие надежных экспериментальных данных.

Излучение одного из кандидатов в коллапсары

Определенной проверкой для теории квантовой гравитации может служить загадка излучения черных дыр. Физики разработали модель черной дыры, излучающей энергию и элементарные частицы пропорционально площади ее поверхности. Вскоре знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры, особенно маленькие, должны излучать частицы и энергию, хотя затем он несколько изменил свои взгляды.

Эйнштейн в шутку как-то заметил, что с тех пор, как на его теорию навалились математики, он сам перестал ее понимать. Но по сравнению с теорией супергравитации общая теория относительности — легкое чтение! Можно было бы думать, что сегодня и в обозримом будущем супергравитационная теория будет иметь лишь чисто умозрительное значение, ведь когда еще мы доберемся до сверхмалых расстояний, где гравитино вносит заметный вклад! Однако у этой теории есть свойство, которое, когда его обнаружили, стало настоящей сенсацией и буквально приковало к себе внимание физиков.

Чтобы уяснить, в чем тут дело, вспомним прочитанное в предыдущих главах и перенесемся на много лет назад, к концу двадцатых годов прошлого века, когда только что созданная квантовая механика находила все новые и новые экспериментальные подтверждения, а физики были полны вдохновения и оптимизма.

В те далекие времена двое теоретиков, немец Вернер Гейзенберг и швейцарец Вольфганг Паули, применили идеи новой — квантовой — теории к электромагнитному полю. Теория получилась удивительно элегантной и позволила рассчитать много новых эффектов. Квантовая физика торжествовала еще одну победу. Казалось, удалось создать единую теорию вещества и поля, которая с высокой точностью описывает все явления микромира.

И тут неожиданно выяснилось, что для массы электрона, его электрического заряда и ряда других связанных с ними величин новая теория дает физически бессмысленные бесконечные значения!

В таком противоестественном состоянии квантовая наука существовала более полувека. Она умела с высокой точностью рассчитывать строение атомов и молекул, точно предсказывать вероятности различных процессов с элементарными частицами и вместе с тем была буквально нафарширована бесконечностями.