Физика невозможного
Шрифт:
Позже, в 1929 г., когда Эдвин Хаббл показал, что в действительности Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал космологическую константу своей «величайшей ошибкой». Однако теперь, 70 лет спустя, получается, что «ошибка» Эйнштейна — космологическая константа — может все-таки оказаться крупнейшим источником энергии во Вселенной; в ней заключено 73 % всего вещества и энергии Вселенной. (Напротив, те элементы, из которых строятся наши тела, составляют всего лишь 0,03 % Вселенной.) Очень может быть, что ошибка Эйнштейна определит окончательную судьбу Вселенной.
Но откуда взялась космологическая константа? В настоящее время этого никто не знает. В начале времени сила антитяготения была, возможно, достаточно велика, чтобы заставить Вселенную раздуваться и вызвать таким образом Большой взрыв. Затем она по неизвестным причинам внезапно исчезла. (В этот период Вселенная продолжала расширяться, но медленнее.) А затем, примерно через 8 млрд лет после Большого
Итак, действительно ли «невозможно» определить окончательную судьбу Вселенной? Или все же возможно? Большинство ученых считает, что размер космологической константы определяется в конечном итоге квантовыми эффектами. Но простейший расчет по упрощенной версии квантовой теории показывает, что теоретическое значение космологической константы отличается от реального в 10120 раз. Безусловно, это величайшая нестыковка в истории науки.
Но физики также сходятся во мнении о том, что эта странность просто означает, что нам не хватает теории квантовой гравитации. Поскольку космологическая константа возникает из квантовых поправок, необходимо построить «теорию всего» — теорию, которая позволит нам рассчитать не только Стандартную модель, но и размер космологической константы, которая определит окончательную судьбу Вселенной.
Таким образом, при определении окончательной судьбы Вселенной нам не обойтись без теории всего. Ирония ситуации заключается в том, что некоторые физики считают, что разработать такую теорию невозможно.
Как я уже упоминал, лучшим кандидатом на роль теории всего является сегодня теория струн; но у этой точки зрения есть и противники, считающие, что теория струн не оправдывает ожиданий. С одной стороны, такой ученый, как профессор MIT Макс Тегмарк, пишет: «Я думаю, что в 2056 г. уже можно будет купить футболку с формулами, описывающими унифицированные физические законы нашей Вселенной». С другой стороны, в настоящий момент формируется группа решительных критиков, которые утверждают, что теории струн еще предстоит многое доказать. Не важно, сколько появилось по ее поводу восторженных статей или документальных телефильмов; некоторые говорят, что теория струн пока не дала ни одного факта, который можно было бы проверить. Споры по этому поводу разгорелись с новой силой в 2002 г., когда Стивен Хокинг перешел в другой лагерь и, ссылаясь на теорему о неполноте, заявил, что теория всего вполне может оказаться даже математически невозможной.
Неудивительно, что жаркие споры вынудили одних физиков пойти против других физиков — ведь цель так благородна, хотя и ускользает с завидным постоянством. Стремление объединить все законы природы тысячелетиями дразнило и манило в равной степени и философов, и физиков. Сам Сократ однажды сказал: «Мне это представлялось наивысшим — знать объяснение всего, почему это появляется, почему гибнет, почему существует».
Первое серьезное предположение, имеющее отношение к теории всего, было выдвинуто около 500 г. до н. э.; считается, что примерно в это время греки-пифагорейцы разгадали математические законы музыки. Проанализировав узлы и колебания лирной струны, они сумели показать, что музыка подчиняется замечательно простым математическим правилам. Затем появились рассуждения о том, что, может быть, гармониями лирной струны можно объяснить все в природе. (В каком-то смысле современная теория струн возродила к жизни мечту пифагорейцев!)
Можно смело сказать, что уже в наше время чуть ли не все гиганты физики XX в. пробовали свои силы в разработке единой теории поля. Но, как предостерегает Фримен Дайсон, «поле боя физической науки сплошь усыпано трупами унифицированных теорий».
В 1928 г. газета New York Times вышла с сенсационным заголовком: «Эйнштейн на пороге великого открытия; злится на непрошеное вторжение». Помещенная под ним заметка привела средства массовой информации в неистовство, возбудила вокруг теории всего журналистскую суматоху и довела напряжение в обществе до критической точки. Заголовки кричали: «Эйнштейн поражен суматохой вокруг новой теории! Держит 100 журналистов в напряжении целую неделю!» Десятки журналистов буквально роились вокруг его дома в Берлине и несли круглосуточную вахту, мечтая увидеть гения хотя бы краешком глаза и дать материал позабористее. Эйнштейн вынужден был скрываться.
Астроном Артур Эддингтон писал Эйнштейну: «Вас, может быть, позабавит известие о том, что один из крупнейших универсальных магазинов в Лондоне („Selfridges“) поместил в витрине вашу статью (те самые шесть страничек в ряд на одном стенде), чтобы прохожие могли прочесть ее от начала до конца. У витрины собираются большие толпы, все читают». (В 1923 г. Эддингтон предложил собственную единую теорию поля, над которой затем неустанно работал до самой смерти в 1944 г.)
В 1946 г. Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой механики, собрал пресс-конференцию, на которой озвучил свою единую теорию поля. На пресс-конференции появился даже премьер-министр Ирландии Эмон де Валера. Когда один из репортеров спросил, что он будет делать, если его теория окажется ошибочной, Шрёдингер ответил: «Я уверен, что прав. Если я не прав, я буду выглядеть полным идиотом». (Шрёдингер действительно почувствовал себя оскорбленным, когда Эйнштейн вежливо указал на ошибки в его теории.)
Самым яростным критиком всякой унификации был физик Вольфганг Паули. Он упрекал Эйнштейна, перефразируя Библию: «Итак, что Бог разлучил, того человек да не сочетает». Он беспощадно громил любую недоработанную теорию, отпуская язвительные замечания: «Эту теорию нельзя даже назвать неверной». Тем не менее по иронии судьбы величайший скептик Паули сам заразился всеобщим безумием. В 1950-х гг. он вместе с Вернером Гейзенбергом предложил собственную единую теорию поля.
В 1958 г. Паули представил единую теорию Гейзенберга-Паули в Колумбийском университете. На Нильса Бора, присутствовавшего в зале, она не произвела особого впечатления. Бор встал и сказал: «Мы здесь, в задних рядах, убеждены, что ваша теория безумна. Но наши мнения разделились в том, достаточно ли она безумна». Теория подверглась уничижительной критике. Поскольку все очевидные варианты единой теории были давно рассмотрены и отвергнуты, истинная единая теория поля должна была выглядеть совершенно неожиданно и в корне отличаться от всех прежних версий. Теория Гейзенберга-Паули была попросту слишком традиционной, слишком обычной, слишком здравой, чтобы оказаться истинной. (В том же году Паули был очень встревожен, когда Гейзенберг заметил в одной из радиопередач, что в их общей теории не хватает лишь некоторых технических деталей. Паули отправил друзьям письмо с пустым прямоугольником и подписью под ним: «Таким образом я хочу продемонстрировать миру, что способен рисовать, как Тициан. Моему рисунку не хватает лишь технических деталей».)
На сегодняшний день ведущим (и единственным) кандидатом на роль теории [35] всего является теория струн. Но возникла, естественно, и отрицательная реакция. Оппоненты утверждают: теперь, чтобы получить постоянную должность в одном из лучших университетов, вы должны непременно работать над теорией струн. Если вы не занимаетесь этой теорией, останетесь без работы. Это повальное увлечение сегодняшнего дня — и физика, разумеется, от этого страдает.
35
Причина в том, что если взять теорию гравитации Эйнштейна и ввести в нее квантовые поправки, то эти поправки окажутся не маленькими, а бесконечными. За долгие годы физики выработали множество ухищрений, позволяющих избавиться от бесконечных слагаемых в уравнениях, но с квантовой теорией гравитации все эти методы не работают. А вот в теории струн бесконечные поправки вообще пропадают, и причин тому несколько. Во-первых, в теории струн есть особый вид симметрии, известный как суперсимметрия, благодаря которому многие бесконечные слагаемые уходят. Кроме того, в теории струн есть ограничение — длина струны, — тоже помогающее бороться с бесконечностями.
Вообще, бесконечность в теории гравитации восходит еще к классической теории. Закон обратных квадратов Ньютона гласит, что при стремлении расстояния между объектами к нулю сила притяжения между ними становится бесконечной. Эта бесконечность, очевидная даже в теории Ньютона, переходит и в квантовую теорию. И только в теории струн есть ограничение — длина струны, или планковская длина, которая позволяет нам бороться с расходимостью.
Я только улыбаюсь, когда слышу подобные высказывания, — ведь физика, как любое другое человеческое занятие, подвержена увлечениям и моде. Судьбы великих теорий, особенно тех, что рождаются на острие человеческого познания, могут испытывать неожиданные и даже случайные взлеты и падения. Вообще, ситуация поменялась не так уж давно; исторически именно теория струн была изгоем, теорией-отступником и жертвой мейнстрима.
Теория струн зародилась в 1968 г., когда два молодых свежеиспеченных доктора — Габриель Венециано и Махико Судзуки — наткнулись на формулу, описывавшую вроде бы столкновения субатомных частиц. Вскоре обнаружилось, что эта чудесная формула может быть получена как описание столкновения колеблющихся струн. Но к 1974 г. работа над этой теорией практически замерла. Появившаяся на горизонте новая теория — квантовая хромодинамика, или теория кварков и сильного взаимодействия, — подобно колеснице Джаггернаута, давила своей мощью все остальные теории. Физики толпами бросали теорию струн ради работы над новой многообещающей теорией. Все финансирование, все рабочие места и признание доставались ученым, работавшим над кварковой моделью.