Страница 6 из 111
В последующие годы на основе «теории струн» возникло несколько разных концепций. Все они притязали на то, что абсолютно точно описывают мироздание. Какая из них верна? «Если одна из них описывает наш мир, то кто живет в остальных?» — так образно обрисовал эту проблему американский физик Эдвард Уиттен, один из крупнейших специалистов в области «теории струн».
Воистину судьбоносной для нее оказалась конференция физиков, проведенная в 1995 году в Лос-Анджелесе. Тот же Эдвард Уиттен предложил выход из тупиковой ситуации: так называемую «М-теорию».
Согласно ей, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей. Его частными случаями являются все «открытые на кончике пера» десятимерные Вселенные. Внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны. Они обладают р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной… Подобным образом можно истолковать и браны более высоких размерностей. Так, стремительные колебания струн были заменены вибрациями мембран, напоминающих, как шутят физики, своего рода «мыльные пузыри», сплетенные из множества крохотных струн, причем, по предположению ряда теоретиков, некоторые частицы, например, гравитоны, не прикреплены к мембранам и свободно перемещаются по всему многомерному пространству.
Итак, наша Вселенная — одна из многих мембран, дрейфующих в этом пространстве. Иногда мембраны сталкиваются, и тогда в них происходит очередной Большой Взрыв. Потом они расходятся, ускоренно расширяются и сближаются вновь, чтобы столкнуться. Впрочем, это лишь гипотетическая модель.
Сама же теория струн, которая скоро отметит свое сорокалетие, по-прежнему далека от того, чтобы занять место на страницах школьных учебников. Образ вибрирующей струны или мембраны — как «основы основ» всех элементарных частиц — очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Как иронично замечают сами физики, он «уводит нас в джунгли различных способов компактификации (свертки) лишних измерений, топологических особенностей экстраразмерностей и прочих очень трудных и абстрактных проблем». Пока ученые не могут даже завершить детальное описание М-теории, ведь Уиттен лишь постулировал ее. Для ее описания понадобится большая часть известных математических методов, в том числе тех, которые долгое время считались совершенно бесполезными. Как иронично заметил Уиттен, «теория струн — это физика XXII века, случайно попавшая в XXI век».
В ожидании коллайдера
Окончательно правота «теории струн» может выясниться лишь в лаборатории. До тех пор, пока опытным путем не удастся хоть косвенно подтвердить эту теорию, она останется блестящей игрой ума.
Да, мы не можем строить ускорители длиной во всю Галактику, чтобы исследовать «музыку невидимых струн». Да, нам никогда не заглянуть в таинственный «черный ящик», где хранится опись мельчайших элементов природы. Однако уже в ближайшие годы можно начать проверку предсказательной способности этой теории. Так, она предполагает существование суперсимметричных частиц (согласно гипотезе, у каждой частицы есть свой двойник; значит, во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям). Итак, если фантомы, созданные теорией струн, преспокойно живут, значит, на теорию можно полагаться. Подлинная модель Вселенной потому и будет называться подлинной, что станет предсказывать еще неведомые феномены, как Периодическая таблица Менделеева прогнозировала свойства неоткрытых химических элементов.
В 2007 году в Европейском центре физики элементарных частиц вступит в строй новый коллайдер. При столкновении частиц на нем будет выделяться достаточно энергии, чтобы получить суперсимметричные элементарные частицы. Возможно, в ближайшие годы их удастся обнаружить. Тогда наконец ученые выберутся за пределы Стандартной модели мироздания.
Подобное открытие может прояснить структуру Вселенной. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Значит, таинственная темная материя, возможно, состоит из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания.
В любом случае можно поверить в прозорливость Эдварда Уиттена, сказавшего, что в ближайшие полвека теория струн будет так же определять развитие физики, как в последние полвека его определяла квантовая теория.
Итак, теория струн, по большому счету, создана для того, чтобы сблизить гравитацию с тремя остальными фундаментальными взаимодействиями. Есть и другой подход — создание квантовой теории геометрии. В этом случае можно обойтись без конструирования дополнительных размерностей, чье существование мы пока не можем обнаружить. Зато появляются отдельные «атомы пространства».
«Пространство нельзя считать непрерывным, оно имеет структуру, напоминающую атомарную, — подчеркивает один из поборников этой теории, американский физик Ли Смолин. — В одном кубическом сантиметре, показывает несложный расчет, “атомов пространства” больше, чем кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной».
Однако и квантовая геометрия до сих пор не сформулирована окончательно. Можно лишь предположить, что М-теория, как и квантовая теория геометрии, являются лишь частными случаями некой обобщенной модели, описывающей все феномены мироздания. Если бы ее удалось создать, признался как-то британский физик Стивен Хоукинг, «это была бы формула Бога, формула, по которой Он сотворил мир».
Путь к единой формуле мироздания еще долог. Однако если вспомнить, какой путь проделала физика в XX веке — путь, увенчавшийся становлением квантовой механики и общей теории относительности, то можно предположить, что и XXI век станет временем торжества двух фундаментальных физических теорий — квантовой геометрии и обобщенной теории струн.
1.3. ЧТО ТАКОЕ ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ
Звезды, планеты и межпланетный газ составляют лишь малую часть всей массы Вселенной. Астрофизики до сих пор не знают, из чего состоит остальная часть материи. Понять ее природу предстоит в XXI веке.
Шапка-невидимка для целой Вселенной
Что такое материя? Ответ знаком со школьной скамьи. Материя — это «объективная реальность, которая… отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В.И. Ленин). Однако с недавних пор астрофизики наделяют большую часть материи совершенно противоположными свойствами. Эта материя и не видима нами, и не дана нам в ощущениях. Ее можно было бы назвать «абсолютным ничто», если бы она не оказывала такого сильного гравитационного воздействия на окружающий мир. Это — незримая «темная сила», правящая миром, следовало бы сказать, вспомнив фантастический фильм.
Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался. В спектрах далеких звезд ученые с умилением обнаруживали все те же химические элементы, что известны нам на Земле. Словно сосуд, наполненный до краев песчинками, Космос был наполнен смесью одних и тех же веществ. За видимым разнообразием скрывался конгломерат электронов, нейтронов, протонов и других знакомых частиц. Расчеты космологов показали позднее, что это не так. «Большая часть мироздания состоит из материи неизвестного нам происхождения — темной материи» — таково было общее мнение. Но и оно было перечеркнуто. Сейчас мы гораздо лучше понимаем, из чего состоит Вселенная. Этому «из чего» и посвящен наш рассказ.