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.

 

СУПЕРГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ

 

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.

На помощь пришла суперсимметрия. Оказалось, что бесконечности, связанные с квантовой гравитацией, компенсируют друг друга. Это был выдающийся успех. Первая область квантовой физики, где злой дух бесконечностей был побежден и изгнан! Появилась реальная надежда создать непротиворечивую теорию элементарных частиц.

Однако более тщательные исследования показали, что часть бесконечностей все же осталась. И вот тут был сделан еще один важный шаг – выдвинута гипотеза о том, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями – длиной, шириной и высотой – и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения.

Если раньше физическая наука напоминала архипелаг, то теперь острова слились в единый, крепко сцементированный законами симметрии материк. Образно говоря, найдена формула строения мира. В заголовках физических статей появился даже полузабытый со времен Эйнштейна термин «теория всего». Конечно, использующие этот термин физики понимают всю его условность: мир слишком многообразен, чтобы можно было полностью описать его одной или несколькими формулами. Речь может идти лишь об ограниченной, уже изученной его области (рис. 25 цв. вкл.).

Итак, нужна какая‑то очень глубокая теоретическая идея. Вот тут ученые и вспомнили о странном результате, который в начале двадцатых годов получил работавший в Кенигсбергском университете польский физик Теодор Калуца.

Как и на других ученых, на Калуцу огромное впечатление произвел вывод Эйнштейна о том, что, являясь физической силой, тяготение тем не менее имеет чисто геометрическую природу, являясь искривленностью четырехмерного пространства‑времени. Кроме гравитации в то время был известен еще только один тип сил – электромагнитные, и Калуца предположил, что они тоже имеют какое‑то геометрическое происхождение.

Результат удивительный и… непонятный! Один из тех, о которых говорят: либо просто совпадение, математический фокус, либо отблеск чего‑то очень далекого, что еще только предстоит открыть и понять. Эйнштейн, которого Калуца просил рекомендовать его статью в физический журнал, два года колебался, прежде чем удовлетворил просьбу.

Тут‑то и пригодилась теория единого суперполя, все компоненты которого – родные сестры. Основываясь на идее Калуцы, всех их можно считать гравитацией в многомерном пространстве‑времени. В физике такое бывает часто – развиваются, казалось бы, не имеющие ничего общего направления, испытывают трудности, заходят в тупик. И вдруг кто‑то сообразит, что это – разные стороны одного и того же, причем каждая имеет как раз то, чего недостает другой.

Но почему тогда мы никак не ощущаем дополнительные измерения? Не приходим ли мы в противоречие с реальными фактами?

 

ПОИСК СКРЫТЫХ РАЗМЕРНОСТЕЙ

 

Можно придумать вселенную и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседнего. Многие писатели‑фантасты давно уже продуктивно эксплуатируют подобные идеи.

Ничего подобного в нашем мире не наблюдается (хотя время от времени можно встретить газетные утки о якобы наблюдавшихся кем‑то и где‑то случаях мгновенной телепатии или телекинеза!). Самые тщательные, с огромной точностью выполненные опыты с элементарными частицами (а в этом случае можно получить наибольшую точность) не обнаружили никаких, даже самых малых, нарушений причинности.

Есть еще одно соображение, которое, казалось бы, убедительно говорит о том, что в нашем мире нет ни четвертого, ни более высоких пространственных измерений. Английский астрофизик Артур Эддингтон доказал, что в этом случае вообще не было бы атомного вещества, так как в мирах с числом измерений, большим трех, электрические заряды взаимодействуют слишком сильно. Электроны там не могут удержаться на орбитах, и атомы «взрываются внутрь» или коллапсируют. Может быть, такие своеобразные миры где‑то и существуют вне нашей реальности, но в нашей Вселенной атомы устойчивы и потому, сделал вывод Эддингтон, никаких дополнительных пространственных измерений в ней просто нет. И тем не менее это все же не означает, что в нашем мире нет четвертого измерения. Оно может открываться лишь глубоко в микромире, куда мы пока еще не можем заглянуть с помощью наших приборов.

Трудность с лишними пространственными измерениями была главной причиной подозрительного отношения физиков к идее Калуцы. Первую серьезную попытку справиться с ней предпринял шведский теоретик Оскар Клейн. По его мнению, четвертое пространственное измерение, постулированное Калуцей, существует реально и не ощущается нами лишь потому, что мир в этом направлении имеет микроскопически малый радиус, то есть представляет собой крошечную замкнутую окружность. Если бы мы могли двигаться в этом направлении, мы бы сразу же вернулись в исходную точку.

Хотя мысль о высших пространственных измерениях – неподтвержденная экспериментом гипотеза, в глазах физиков она выглядит весьма убедительной. Она обещает отрубить головы дракону бесконечностей, она как нить Ариадны ведет физиков к последовательной и самосогласованной теории вещества и поля. Трудно даже подумать, что столь плодотворная идея может оказаться всего лишь временной теоретической химерой.

Вспомним, что такое заряженный конденсатор, – это две металлические пластины и слой электрических силовых линий между ними. Если пластины раздвинуть на расстояние, много большее их размеров, слой превратится в жгут силовых линий.

Он обладает определенной упругостью, и его можно назвать электрической полевой струной. Подобная же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками. С помощью мелких железных опилок ее можно сделать видимой и убедиться в том, что, будучи отклоненной в сторону, она упруго восстанавливает свою форму.

Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны – стринги глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн – весьма распространенное явление в мире элементарных частиц.

Стринги могут разрываться и слипаться, рождая дочерние и внучатые стринги. При этом образуются замкнутые струнные кольца и более сложные переплетающиеся фигуры. Стринги – объекты с очень сложной геометрией. Но самое важное состоит в том, что подобно тому, как это происходит со струной гитары, в них могут возбуждаться колебания – различные полевые обертоны. И так же, как звуковые волны, эти обертоны отделяются от колеблющейся струны и распространяются в виде волн в окружающем вакууме.

Интересно, что поначалу большинство физиков встретили новую теорию с недоверием. Избавив их от бесконечностей, она принесла с собой другой страшный порок: в ней появились тахионы и духи. Тахионы – это частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света. Таких частиц никогда никто не наблюдал ни прямо, ни косвенно. А если бы они были и, как предсказывала новая теория, могли разлетаться на большие расстояния, это порождало бы массу поразительных явлений, которые никогда не наблюдаются. Еще хуже для здравого смысла так называемые духи. Объяснить, что это такое, в обиходных терминах и понятиях просто невозможно, да и сами теоретики склоняются к мнению, что это понятие попало в нашу физику явно из «другой» вселенной.

Физика во многом сложилась как экспериментальная наука, и лишь прошлый век дал импульс развитию ее теоретической части. С течением времени физические эксперименты становились все более сложными и дорогостоящими, поэтому физикам все чаще приходилось извлекать скрытый смысл из природных явлений с помощью математических абстракций. Впрочем, довольно скоро, на протяжении второй половины прошлого столетия, физико‑математический авангард теоретиков настолько сильно оторвался от основной массы исследователей, что практически потерял с ними связь. Однако при этом данная группа ученых встретилась уже со своими коллегами – математиками, решающими с помощью математических моделей различные реальные задачи, и вместе с ними ринулась на покорение следующих вершин науки.

Хотя мы часто говорим о смелости научной мысли и беспредельном полете фантазии, наши идеи, даже самые фантастические, по существу, не слишком уж далеко выходят за пределы привычного нам мира. Это проявляется и в теоретической физике, несмотря на всю необычность ее современных представлений. Например, многомерные миры в каких‑то отношениях мыслятся как нечто весьма похожее на нашу четырехмерную Вселенную, только с большим числом координат. В одной из своих статей знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг иронически заметил, что такие представления сродни уверенности в том, что при любом контакте с космическим разумом мы встретим если не зеленых человечков, то что‑нибудь похожее на жука, осьминога или какое‑либо другое земное существо.

Хромосомы мира

В середине семидесятых годов прошлого века физики пришли к мысли о том, что если в природе существуют еще более мелкие объекты, чем глюоны и кварки, то они тоже должны быть связаны струнами, которые не дают им разойтись на большие расстояния и делают их, подобно кваркам и глюонам, вечными пленниками внутри самих кварков и глюонов. Их стали называть стрингами («стринг» – по‑английски «струна»). Вскоре выяснилось, что такие жгуты напряженного поля могут существовать и сами по себе – как независимые «хромосомы мира».