Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
В теории струн именно движение этих бесконечно малых шестимерных объектов определяет массы и заряды субатомных частиц, которые, в свою очередь, влияют на происходящее в нашем мире. При этом выбор дополнительных измерений вовсе не произволен. Струны «резонируют» аналогично тому, как в макромире резонансная частота звучания скрипки определяется формой и типом древесины, используемой мастером. В десятимерном пространстве количество разнообразных резонансов неимоверно возрастает, формируя упорядоченную вселенную.
Существует, однако, еще один, значительно более сложный вариант теории струн, в котором рассматриваются не 10, а целых 26 дополнительных измерений! В этом случае рассматриваются два разных типа колебаний, один из которых соответствует движению в 10-мерном пространстве, а второй — в 26-мерном) причем даже считается, что первый тип колебаний совершается по часовой стрелке, а второй — против часовой стрелки. Разумеется, использование этих терминов носит чисто условный характер, свидетельствуя лишь о скудных возможностях нашего языка (как и надпись на банке с вареньем, которую видела Алиса, пролетая через Кроличью Нору в Стране чудес Льюиса Кэррола). Митио Каку, автор книги «Гиперпространство» (1994) о теории струн, описывает ситуацию следующим образом: «…струны образуются из двух противоположно закрученных колебаний (происходящих в различных измерениях), однако их комбинация позволяет построить единую теорию суперструн, которую можно назвать гетерозисной, или неоднородной (используя греческий термин heterosis, означающий совместное действие разнородных сил). Большое число измерений позволяет создать красивую концепцию, исчерпывающе объясняющую природу всех соотношений симметрии в теории Эйнштейна и квантовой механике». Ключевыми в этой фразе являются слова «исчерпывающее объяснение». Для многих физиков, по мнению М. Каку, привлекательность теории струн связана именно с тем, что «законы физики упрощаются с ростом числа измерений». Это напоминает ситуацию с закупкой дополнительного оборудования в офисе, когда оказывается, что возникает реальная возможность хранить и перерабатывать гораздо больший объем информации.
Современная техника пока не позволяет проверить ни один из вариантов теории струн, что вызывает у физиков чувство раздражения и досады. Многие, впрочем, считают такую ситуацию захватывающей и возбуждающей. В начале 1980-х годов в ожесточенных спорах по этому вопросу приняли участие многие именитые физики, включая нобелевских лауреатов. Например, Мюррей Геллманн (предсказавший существование «кварков» и придумавший им название) заявил, что один из вариантов теории струн, безусловно, превосходит все остальные теоретические построения в физике. Противоположной точки зрения придерживаются не менее знаменитый Шелдон Глэшоу (лауреат Нобелевской премии 1979 г.) и ряд его коллег из Гарварда, которые даже потребовали «…разобраться, наконец, с магическими совпадениями, удивительными исключениями и неожиданными соотношениями в несвязанных (а иногда и еще не открытых!) областях математики».
Затем страсти стихли. Специалисты по квантовой механике перестали обращать внимание на теорию струн и вернулись к своим «головоломкам», а теоретики, увлеченные теорией струн, умерили пыл и признали существование серьезных проблем в своих построениях. В научной среде установилось непрочное перемирие, в результате которого теория струн стала развиваться несколько обособленно. Похоже, она добилась определенных успехов в некоторых направлениях (например, в теории гравитации), но одновременно столкнулась и с серьезными сложностями. Известный популяризатор науки Тимоти Феррис в книге «The Whole Shebang» [3] с иронией пишет о том, что весьма обширный «зоопарк» субатомных частиц (их число уже перевалило за 300, а попытки систематизации измучили физиков-теоретиков) стал пополняться за счет теории струн (естественно, что новые частицы получили еще более фантастические названия, например скварк и снейтрино). Кроме того, теория струн так и не смогла объяснить, каким образом «скручиваются» шесть дополнительных измерений пространства. Феррис пишет, что «теория струн должна предсказывать массу протона и других частиц, но такую теорию никак не удается довести до конца». Митио Каку тоже откровенно признает, что теория струн не позволяет решить задачи теории поля. Уже упоминалось, что Виттен считает теорию струн физикой XXI столетия, однако она может «завязнуть» в проблемах XX века. В связи с этим интересно отметить, что в известном справочнике Курта Сапли «Физика 20-го века», опубликованном по рекомендации Американского физического общества и Американского института физики, теория струн вообще не упоминается.
М. Каку отмечает также, что пока никому не удалось внятно объяснить, почему в теории суперструн следует использовать либо 10, либо 26 измерений. В противном случае уравнения теоретиков «распадаются» (вот почему Шелдон Глэшоу ссылался на «магические числа»). Ситуация еще более осложнилась, когда оказалось, что следует, возможно, рассматривать не 10-мерное, а 11-мерное пространство за счет введения в дополнение к эйнштейновской второй временной координаты.
Большинство ведущих физиков пришли к выводу, что теория струн либо станет физической теорией, позволяющей решить все загадки физики и окончательно объединить вселенные Ньютона и Эйнштейна с квантовой теорией, либо окажется «ловушкой», гигантским теоретическим «блефом». Нельзя забывать, что в физике всегда были ошибочные направления, причем некоторые из них существовали очень долго. Например, восходящая к Аристотелю геоцентрическая модель строения Солнечной системы господствовала в науке почти два тысячелетия. Как правило, ошибочность теорий выясняется гораздо раньше, чем об этом узнает широкая общественность, но теория струн уже привлекла всеобщее внимание, и, если завтра обнаружится ее ошибочность, многие физики сами захотят спрятаться в дополнительных измерениях. Впрочем, решение проблемы может затянуться, и загадка теории струн будет решена с появлением новых технологий или совершенно новых математических теорий лишь через несколько десятилетий.
В 1884 г. была опубликована известная математическая фантазия Эдвина А. Аббота «Флатландия», в которой описан воображаемый двумерный мир. На рисунке автора показано, как обитатель Флатландии (по имени А. Квадрат) пытается описать миры с другим числом измерений (на рисунке изображен одномерный мир, Лайнландия). Героя ждет трагический конец из-за попыток доказать согражданам возможность существования трехмерного мира.
Литература для дальнейшего чтения1. Green, Brian. The Elegant Universe. New York: Norton, 1999. Наиболее полное описание современного состояния теории струн, которое можно, однако, рекомендовать даже неподготовленному читателю. Б. Грин является одним из крупнейших специалистов в этой области и знает массу интересных подробностей. Книга выделяется не только блестящим стилем, но и исключительной объективностью автора, доводящей его временами почти до абсурда (например, предвидя возражения читателя, он временами начинает оспаривать собственные аргументы). Книга написана в очень ясной и последовательной манере, но требует от читателя достаточного внимания и интереса.
2. Kaku, Michio. Hyperspace. New York: Oxford University Press, 1994. Книга снабжена обширным подзаголовком «Научная Одиссея в параллельных мирах. Искривления времени и дополнительные измерения». Эта книга менее научна, чем работа Б. Грина, и написана в более легкой манере. К ее достоинствам можно отнести умение автора находить интересные и даже шутливые аналогии теории струн в других областях человеческой деятельности (например, в литературе).
3. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Как уже отмечалось, Феррис является одним из лучших и наиболее известных популяризаторов науки в США, особенно в области физики. Он лично относится к теории струн несколько иронично (в чем, кстати, автор данной книги целиком к нему присоединяется), но основные факты и идеи исследований изложены достаточно полно.
4. Abbott, Edwin A. Flatland: A Romance of Many Dimensions. Mineola, NY: Dover, 1992.
Глава 21.
Что ожидает Вселенную?
Наше Солнце существует около 4,6 миллиарда лет, что соответствует примерно половине возраста звезд данного типа. Оно похоже на миллионы звезд, рождающихся, развивающихся и умирающих во Вселенной. Астрономы хорошо изучили процессы, протекающие в родившихся ранее звездах, и достаточно детально представляют себе заключительную фазу жизни нашего Солнца. На протяжении первых четырех миллиардов лет в Солнце выгорает водородное горючее. По мере его выгорания звезда сжимается в размерах, но на определенном этапе обретает «второе дыхание» — в ней начинаются процессы термоядерного синтеза, при которых из трех ядер гелия образуются ядра углерода-12. Благодаря этому горючему Солнце может прожить еще два миллиарда лет. Однако при этом Земля неизбежно погибнет, поскольку из-за реакций синтеза размеры Солнца увеличатся примерно в сто раз, и оно, буквально испепелив нашу планету, превратится в так называемый красный гигант. Затем по мере выгорания гелия и его превращения в углерод Солнце снова начнет уменьшаться в размерах и обратится в тусклый белый карлик. Спустя еще несколько миллионов лет этот белый карлик постепенно остынет и трансформируется в мертвую звезду, называемую черным карликом.
