Техника-молодежи №9 2000 г
 
 
ГЛАВНАЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВПЕРЕД
НАЗАД

В Идея давно уже носится в воздухе. Многие пытались создать универсальную теорию взаимодействий, в которую бы вошли все известные физикам на сегодняшний день силы природы, включая гравитацию. Однако до недавнего времени эта затея чаще всего оборачивалась пустой тратой времени и сил. Но вот лед, похоже, тронулся...

НА ПУТИ К "ТЕОРИИ ВСЕГО"

Слишком много «кирпичиков»

Наибольших успехов физика элементарных частиц достигла лет 30 назад, когда была создана теория, получившая название «стандартной модели». Согласно ей, материя состоит из частиц двух типов - фермионов, к которым относятся электрон и нейтрино, и бозонов - нейтронов и протонов, а последние сложены из кварков - гипотетических частиц с весьма своеобразными свойствами. Именно они, как надеялись теоретики, могут взять на себя роль этаких «первокирпичиков Вселенной» - истинно элементарных частиц. Управляют же строительством Вселенной три силы - электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.

Передача усилий, в свою очередь, происходит с помощью неких частиц-квантов. Частица света - фотон, например, служит носителем электромагнетизма. Однако на свете существует еще и четвертая сила - гравитация. А вот ее никак не удается поместить в стандартную модель. И для ее описания - впрочем, довольно туманного - используется разве что общая теория относительности.

Не раз уже физики пытались связать воедино теорию относительности и стандартную модель, чтобы создать таким образом общую теорию взаимодействий или, как ее иногда называют «теорию всего». Однако из этих попыток долгое время не выходило ничего путного. Даже с тремя силами было немало мороки. Особенно долго пришлось повозиться с сильным взаимодействием, которое никак не хотело вмещаться в рамки стандартной модели. Но когда наконец ее, что называется, туда впихнули, выяснилось, что эта модель не в силах объяснить множество вещей. Почему, например, у сотен так называемых элементарных частиц такое разнообразие масс? Почему в природе существуют четыре силы, а не пять или, скажем, десять?

Поэтому большинство физиков относилось к стандартной модели всего лишь как к первой прикидке, некоей вехе на пути создания теории, которая действительно могла бы объяснить процессы, происходящие во Вселенной. Но все попытки продвинуться дальше натыкались на непреодолимые препятствия.

Физиков охватило разочарование и даже уныние. Особенный пессимизм наблюдался в 1993 г., когда правительство США в целях экономии решило прекратить финансирование, а значит, и строительство гигантского ускорителя частиц, на который физики возлагали особые надежды. Любимую игрушку у них отняли, и теперь некая компания хлопочет, чтобы ей разрешили в уже построенных тоннелях разбить плантации для выращивания грибов...

Еще одно разочарование, постигшее физиков, состояло в том, что ныне, похоже, приходится списывать в архив теорию кварков. Сначала их было всего три, потом стало четыре, а теперь выясняется, что для объяснения каких-то свойств материи кваркам приходится приписывать еще и «странность», «цветность», говорить о каких-то «зазеркальных» кварках и т.д. В общем, получается, что и эта теория оказалась не лучше любой другой. Тем более, что экспериментально существование кварков - частиц, с дробными электрическими зарядами, доказать так и не удалось.

И снова перестройка

В общем, в конце XX в. в физике сложилось примерно то же положение, какое было в конце предыдущего столетия. Именно тогда, накануне вступления в новый век, знаменитый английский физик лорд Кельвин позволил себе сказать, что здание физики, в основном, уже построено, и в его фундамент осталось положить лишь два маленьких кирпичика, с назначением которых предстоит разобраться в самом ближайшем будущем.

Однако ни сам лорд, ни его коллеги по Лондонскому королевскому обществу, где была произнесена эта речь, не смогли предугадать, что вскорости эти «кирпичики» разрастутся в огромные самостоятельные здания, название которым - теория относительности и квантовая механика. И теперь классическая физика, о которой говорил лорд Кельвин, воспринимается не более как пристройка к ним.

Ныне, похоже, история повторяется - современные теории не справляются с наплывом фактов и, стало быть, здание физики придется перестраивать еще раз в надежде, что, наконец-таки, получится цельный ансамбль той самой «теории всего», о которой говорилось в начале.

Но каким строительным материалом воспользоваться? Одно время большие надежды возлагались на теорию суперструн. Однако эти суперструны, как и кварки, должны обладать уникальными свойствами, которые никак не удавалось обнаружить экспериментально. Если, скажем, кварки требовали существования в природе дробного электрического заряда, то, согласно теории суперструн, в окружающем нас пространстве, которое мы привыкли воспринимать как пустое, на самом деле должны содержаться какие-то крошечные петельки. Из чего они сделаны - непонятно, и, тем не менее: «Вообразите себе замкнутую струну, то есть петлю - предлагают теоретики, - которая может вращаться, скручиваться и колебаться не только в трех геометрических измерениях плюс во времени, но и еще, как минимум, в шести других, лежащих вне пределов нашего сознания. Извиваясь, петля резонирует в различных тональностях, словно десятимерная скрипичная струна...».

Вам все понятно в этом словесном построении? Я, признаться, мало что понял. Да и многие другие - в том числе и сами физики - тоже. А потому долгое время теория суперструн воспринималась многими, в том числе и ее автором, академиком Я.Б.Зельдовичем, как некая игра ума. Получается вот в теории этакое занятное построение, а как быть с практикой - мы еще посмотрим.

Родилась же эта теория, можно сказать, с отчаяния - в ходе попыток подчинить сильное взаимодействие квантовой теории. Формулы показывали, что ниже уровня кварков могут лежать еще более мелкие частицы - некие вибрирующие сгустки. Колебания этих сгустков, или нитей, струн и позволяют «озвучить» новую теорию строения Вселенной.

В общем, туман и еще раз туман. В нем потихоньку, можно сказать - ощупью, физики и пытались продвигаться вперед.

Их настойчивость поддерживалась знанием, что в физике правильными оказываются как раз наиболее сумасшедшие теории. Например, в свое время даже Вольфганг Паули не мог поверить самому себе, что в природе может существовать нейтрино - некая сверхлегкая частица, способная запросто пронизать земной шар. Она была открыта им, что называется, на кончике пера. Но, глядите-ка, прошло полвека, и эта частица действительно была обнаружена сначала в недрах ускорителей, а потом и в просторах Вселенной. Так может, и в данном случае получится так же: сначала Зельдович предположил, что в нашем мире могут существовать некие объекты с поперечником всего-навсего 10"37 см (для сравнения, диаметр атомного ядра равен примерно 10"13 см), но длиной иной раз во всю Вселенную (то есть около десятка миллиардов световых лет!), а когда-нибудь они будут открыты и экспериментально...

Так это будет или не так, нам еще предстоит убедиться. А пока выясняется: чтобы в расчетах сошлись концы с концами и теория могла работать, то есть чтобы с ее помощью можно было предвидеть какие-то экспериментальные результаты, приходится допустить, что в окружающем нас мире существует не четыре измерения - длина, ширина, высота и время, а как минимум десять.

Но где эти измерения? Как их себе представить? «Наглядно их, конечно, представить нельзя, - утешают обывателей теоретики. - Но ведь мы не можем представить себе и бесконечность. И не знаем, что было до Большого взрыва. Да что там - мы не знаем даже толком, что такое электричество. И, тем не менее, пользуемся им...»

Поэтому не стоит себе брать в голову проблему измерений. Может они попросту не успели развернуться в момент Большого взрыва и скрываются где-то там, в петельках этих самых таинственных суперструн. Ничего, привыкнем и будем ими пользоваться... Как тем же электричеством.

То ли остров, то ли кокон

Однако «струнников» вскоре стали подводить их же расчеты. Неожиданно выяснилось, что десяти измерений маловато - их число возросло до 26. Правда, героическими усилиями теоретикам удалось-таки сократить это число снова до десяти.

Но тут возникла новая напасть - оказалось, что и десяти измерений достаточно, чтобы с их помощью можно было создать практически бесконечное множество новых «струнных» теорий. Когда же удалось избавиться от лишних теорий, оказалось, что их все равно не менее пяти. Но может же истина существовать в нескольких вариантах! Исследователи было приуныли, однако со временем выяснилось, что истина действительно может быть только одной, а вот число ее представлений может быть равно и пяти...

Вроде бы можно двигаться дальше. Но куда?

Направление дальнейших поисков истины указал 29-летний аргентинский теоретик Хуан Молдасена. В 1997 г. он опубликовал статью, в которой указал на существование связей между теорией струн и стандартной моделью. Рассуждения его понравились многим, и в следующем году Молдасену чествовали на международной конференции по струнам, проходившей в легендарной Санта-Барбаре, штат Калифорния.

Еще бы! Ведь Молдасене наконец-таки удалось включить в свою теорию еще и гравитацию. Стало быть, счастливые теоретики теперь могут сказать, что они сделали еще один шаг на пути к созданию «теории всего».

Оставался сущий пустяк. Надо было как-то выявить, доказать существование в нашем мире, по крайней мере, еще шести измерений.

За эту работу взялся 25-летний физик из Стенфордского университета Мина Арканья Хамен и его коллеги - Гия Гвали и Товаз Гиннопулос. Вскоре они объявили, что, по крайней мере, одно из этих измерений существует где-то по соседству и к нему можно подступиться.

Картина, которую они нарисовали, примерно такова. Наша четырехмерная Вселенная плавает в океане пятого измерения. Частицы же, из которых сложено вещество, тяготеют к поверхности, отделяющей нас от прочего мира. Но гравитоны - гипотетические носители тяготения - просачиваются в наш мир извне. Они словно бы всплывают из глубин многомерного океана. Вот поэтому-то мы и не можем пока разобраться в самой сущности тяготения. Оно - не из нашей Вселенной!

Олайзе Рендал из Принстона и Романо Сундуно из Стенфорда - тоже молодые теоретики - полагают, что ту же картину можно представить и несколько иначе. По их мнению, наша Вселенная окружена измерениями высшего порядка, опутана ими, словно кокон шелкопряда, тончайшими нитями. Какое наглядное представление победит, в данном случае не так уж важно; главное, что оба представления стыкуются математически, а значит, не противоречат друг другу и, возможно, соответствуют истине.

Заодно Молдасена вдохновил еще нескольких молодых теоретиков на дерзновенные поиски. Шамих Кахру и Ева Сильверстайн из Стенфорда, оперируя данными о дополнительных измерениях, попытались разрешить одну из основных проблем космологии.

Физика до сих пор хорошо объясняла - как началось расширение Вселенной в результате Большого взрыва. Теперь она, похоже, в состоянии ответить и на вопрос, будет ли она расширяться бесконечно, или когда-либо повернет вспять, и расширение сменится сжатием. И это еще не все...

Листая книгу Природы

Основная идея революции, состоявшейся в первой четверти XX столетия, заключалась в том, что энергия распространяется порциями, или квантами. Теперь выясняется, что, похоже, подобными порциями или, точнее сказать, блоками может оказаться «нарезано» и само пространство-время.

Кстати, такой вариант развития событий в какой-то мере предвидел наш замечательный ученый-теоретик А.Д. Сахаров. Только он к своей работе прибегнул в несколько иной аналогии. Предположим, говорил он, что вся Вселенная представляет собой толстый том со многими страницами. Но если обычные страницы имеют по существу лишь два измерения, длину и ширину, а толщиной бумажного листа и его пожелтением со временем мы можем пренебречь, то в настоящей книге жизни каждая страница, как минимум, четырехмерна...

Лично мне эта аналогия кажется более удачной хотя бы потому, что она, в принципе, указывает путь, как можно попасть на другие страницы, в иные миры и измерения. Ведь страницы скреплены общим корешком... Поисками этого «корешка» и занимается ныне Фатали Маркополу Паломара, 29-летняя исследовательница из Лондонского имперского колледжа. По ее мнению, возможно, что иные блоки, или страницы, и являются вместилищем той самой «темной материи», свыше 90 процентов которой мы недосчитываемся в нашем мире и догадались о ее существовании лишь по некоторым косвенным признакам.

Вместе со своими коллегами из Англии и США она намерена прояснить ситуацию, а заодно, быть может, подправить и самого Альберта Эйнштейна, теория относительности которого, как стало понятно в последнее время, содержит в себе немало ошибок. Например, он рассматривал пространство-время как нечто однородное и геометрически протяженное. А оно, похоже, вовсе не такое. Он полагал скорость света наивысшей, а ныне в экспериментах обнаруживаются частицы, которые движутся со сверхсветовыми скоростями...

Паломара вспоминает, как после окончания университета она провела лето, работая в Национальной физической лаборатории в Англии. И ее научный руководитель не раз уговаривал ее не портить себе жизнь и оставить физику элементарных частиц. «Эра ускорителей и великих экспериментов кончилась, - сказал он. - Это уже бесплодная земля. Идите лучше в биологию с генетикой - там намечается прорыв». «Но ведь в начале века уже было нечто подобное, смеется исследовательница. - Когда учитель Макса Планка узнал о намерении своего ученика заняться теоретической физикой, он тоже не советовал ему продолжать свои занятия. Планк не послушался его и открыл совершенно новое направление - квантовую механику. Вероятно, нечто подобное ожидает и нас в скором будущем»...

Станислав Славин

на предыдущую страницу к началу этой страницына следующую страницу