Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Малоун Джон

Конечно, к рассказу Хассе можно относиться, как к обычному научно-фантастическому сочинению с хитро закрученным сюжетом и блестящей литературной формой, однако вспомним, что идея упоминавшейся выше повести Джека Уильямсона «Легион времени» тоже сначала была отнесена к чистой фантастике и лишь позднее получила блестящее математическое обоснование, была признана и воспринята крупнейшими физиками современности.

Так существуют ли иные миры и вселенные? Многие великие ученые соглашаются с такой возможностью, однако считают подобные миры всего лишь интересным объектом для математических и физических упражнений, поскольку они совершенно «отделены» от нас и мы не можем иметь с ними никаких контактов. С другой стороны, по той же причине многие специалисты считают разработку описанных выше теорий совершенно бессмысленным занятием (исходя из их полной практической бесполезности!), а вытекающие из них философские проблемы называют «метафизической ерундой», следуя упомянутому выше высказыванию Уилера. С некоторым

ехидством эти физики предлагают оставить проблемы этого типа философам и писателям-фантастам. Однако Хокинг, Эверетт и ряд других крупных физиков современности все же считают, что такие вероятностные миры имеют отношение к описанию окружающей нас реальности и мы не можем просто пренебрегать возникающими проблемами и оставлять их без всякого ответа или внимания. В любом случае не следует забывать фразу великого средневекового мыслителя и философа Альберта Великого, писавшего в XIII веке: «…один из важнейших вопросов при изучении Природы сводится к тому, существуют ли иные миры или наш мир является единственным?» И, безусловно, всегда найдутся те, кто вновь и вновь будут задавать этот вопрос, каким бы странным или обескураживающим ни оказывался ответ.

Литература для дальнейшего чтения

1. Kaku, Michio. Hyperspace. New York: Oxford University Press, 1994. Митио Каку — физик-теоретик, один из крупнейших специалистов по проблеме множественности миров и искривлению пространства-времени. Его книга отличается ясностью изложения и содержит массу полезных ссылок и сведений. Автор обладает чувством юмора, что позволяет читателю легче воспринимать неожиданные ситуации, связанные с путешествиями во времени.

2. Thome, Kip S. Black Holes and Time Warps. New York: Norton, 1994. К. Торн настороженно относится к идее параллельных миров, но в его книге очень интересно описан процесс рождения новых физических теорий, поскольку автор был учеником и коллегой Дж. Уилера.

3. Berman, Bob. Secrets of Night Sky. New York: Morrow, 1995. Автор является астрономом по специальности и научным обозревателем журнала «Discover». Книга написана в очень легкой и непринужденной форме, в ней обсуждаются самые разные научные проблемы, включая концепцию множественности миров.

4. Williamson, Jack. The Legion of Time. New York: Pyramid Books, 1952. Знаменитый научно-фантастический роман, опубликованный в 1952 г. (это первое издание давно стало раритетом, так что у букинистов цена отдельных экземпляров книги доходит до 100 долларов). Роман был переиздан в 1967 г., а в настоящее время доступен через Интернет (сайты alibris.com и BookFinder.com).

Глава 20.

Какова размерность нашего мира?

В середине прошлого века Голливуд, напуганный массовым распространением телевидения, сделал попытку вернуть зрителей в кинотеатры, привлекая их трехмерным, стереоскопическим кино. Зрители сидели в кинозалах, надев странные картонные очки, и смотрели фильмы ужасов типа «Бвана Дэвил», которые временами действительно были ужасны! В те же годы Говард Джонсон организовал первую сеть закусочных «фаст фуд» и стал производить многослойные бутерброды, которые публика тут же окрестила трехмерными, 3D-гамбургерами, поскольку два слоя начинки прослаивались между тремя ломтиками хлеба. Однако в XXI веке ни Голливуд, ни сеть закусочных быстрого питания не смогут угнаться за научным прогрессом: согласно теории суперструн, которой посвящена эта глава, мир имеет 10 или даже 22 измерений, и вряд ли такой гамбургер удастся соорудить. Вплоть до Эйнштейна человечество прекрасно чувствовало себя в привычном трехмерном пространстве. Эйнштейн снабдил нас четвертой координатой — временем. Понять это оказалось нетрудно. Представьте, что Вы договариваетесь о встрече по телефону — Вас просят зайти в офис, расположенный на третьем этаже здания на углу Кинг-стрит и Честнат, третья дверь. Собственно говоря, это и есть трехмерный адрес (две координаты — местоположение здания, третья координата — этаж), а время встречи (например, 5.15) добавляет вполне понятную четвертую координату. Именно в такой четырехмерной системе координат (пространство-время, т. е. три пространственные координаты, плюс время) рассматриваются все события в рамках теории относительности Эйнштейна.

В 1919 г. теория относительности Эйнштейна была подтверждена в результате астрономических наблюдений Артура Эддингтона за Меркурием при солнечном затмении. Вскоре Эйнштейн получил письмо от безвестного (как, впрочем, и сам Эйнштейн до 1905 г.) польского математика Теодора Калуцы из Кенигсбергского университета, который предположил, что число пространственных измерений нашей Вселенной может быть выше трех. При этом некоторые измерения могут оказаться «свернутыми» и недоступными для наблюдения вследствие их малости. Все попытки объяснить или описать подобные измерения безуспешны в первую очередь из-за того, что мы не в состоянии вообразить в своем макромире, обладающем всего тремя пространственными измерениями, нечто более многомерное. Например, физик Брайан Грин, внесший большой вклад

в развитие описываемых теорий, в книге «The Elegant Universes» («Элегантная вселенная») (1999) [1] использовал следующую аналогию. Представьте себе муравья, ползущего по трубе или обычному садовому шлангу, натянутому над канавой, причем учтите, что муравьи не обладают бинокулярным зрением и воспринимают поверхность, по которой они ползут, в качестве обычной плоскости. Образно говоря, внутри такого шланга заключены невидимые ни для кого «свернутые» измерения пространства.

Слова «невидимые ни для кого» в данном случае следует воспринимать буквально. Дополнительное измерение, предложенное Калуцей в письме к Эйнштейну, как и другие измерения, введенные в эту теорию значительно позднее, уже в начале 1980-х годов, нельзя исследовать ни одним из наших приборов. Однако гипотеза о существовании дополнительных измерений позволяет математически получать совершенно ошеломляющие результаты! Эйнштейн сразу обратил внимание на то, что релятивистские формулы Калуцы, использующие дополнительные координаты, с неизбежностью приводят к знаменитым уравнениям электромагнитного поля, которые вывел в 1880-х годах Джеймс Клерк Максвелл. Теория Эйнштейна также была основана на работах Максвелла, однако только дополнительные координаты позволили Калуце полностью объединить электромагнетизм и теорию относительности. Эйнштейн отнесся к работе Калуцы с некоторым предубеждением и рекомендовал ее к публикации лишь через два года. Полученные Калуцей результаты были затем развиты шведским математиком Оскаром Клейном. К сожалению, экспериментальная проверка теории оказалась настолько сложной, что идеи были забыты на несколько десятилетий.

О них вспомнили лишь в начале 1970-х годов в связи с так называемой теорией струн. Первые работы в этом направлении выполнил молодой исследователь Габриэль Венециано, сотрудник одной из лабораторий ЦЕРНа в Женеве. Венециано занимался проблемой ядерных взаимодействий. В книгах по математике он наткнулся на одну из функций, полученную еще в XVIII веке Леонардом Эйлером. Венециано посчастливилось заметить, что бета-функция Эйлера неожиданно позволяет описать многие из реакций сильного взаимодействующих элементарных частиц. Это явилось отправным пунктом для развития новой теории вселенной. Квантовая механика в этот период занималась широким кругом проблем, и многие молодые теоретики охотно занялись новым направлением. Постепенно, шаг за шагом круг новых идей превратился в 1970-е годы в физическую теорию, названную теорией струн. Какое-то время казалось, что разрабатываемые концепции лишены внутренней согласованности. Однако в 1984 г. Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и Майкл Грин из Колледжа королевы Марии в Лондоне сумели доказать, что теория струн в целом является самосогласованной.

Так что же такое струны! Очень упрощенно их можно представить в виде исключительно мелких вибрирующих объектов, которые буквально заполняют всю вселенную. Струны столь малы, что для формирования одного кварка необходимо около 1015 струн (при этом сами кварки столь ничтожны, что проявляются лишь в некоторых экспериментах). Переход к струнам означает еще один «шаг в глубь» субатомного мира. Привычная нам приставка «микро» в данном случае полностью теряет свой смысл. Разумеется, читателю вся эта ситуация с бесконечным дроблением размеров может показаться нелепой и напомнить средневековые диспуты о числе ангелов, которые могут уместиться на острие иглы (или описанный в гл. 19 рассказ Генри Хассе, где некий ученый, уменьшаясь в размерах, исчезает из поля зрения и возникает вновь в виде гиганта в озере Эри). Поэтому многие ведущие физики отнеслись к теории струн весьма сдержанно, а некоторые не скрывают своего скептицизма и сейчас.

Теория струн заставила ученых по-новому взглянуть и на многие другие важные проблемы. Например, исчезла необходимость в объединении гравитационных сил и квантовой механики. В новой теории используются выражения, с самого начала объединяющие их. Эдвард Виттен, один из признанных лидеров теории струн, сказал, что эта теория «замечательным образом предсказывает существование гравитации». Брайан Грин разъясняет это следующим образом: «Ньютон и Эйнштейн развивали теорию тяготения, исходя из очевидного факта, что оно присутствует в природе, и этот факт требует ясного и последовательного объяснения. В противоположность этому любой ученый, связанный с теорией струн (независимо от того, знаком он или нет с общей теорией относительности), неизбежно должен придти к представлению о существовании гравитации в рамках теории струн».

Брайан Грин, один из крупнейших специалистов в теории струн, видит определенную проблему в том, что, поскольку нам уже все известно о гравитации, «предсказания» теории струн носят апостериорный характер. В теории струн используется новый, специально разработанный математический аппарат, однако все мы знаем, что математическими манипуляциями можно всегда получить требуемые выводы (именно это постоянно иллюстрируют корпорации и правительственные организации!), и это вызывает противодействие триумфу, звучащему в словах Виттена. Без сомнения, тот факт, что теория струн позволяет объединить гравитацию с тремя другими фундаментальными взаимодействиями (а именно, электромагнитным, сильными и слабыми), дает ей некоторое преимущество по сравнению с квантовой механикой.