ется в виде квантовых сгустков, квантование пространства предполагает, что должен существовать какой-то минимальный отрезок, который дальше уже не разделить. Однако кванты гравитационной энергии являются квантами самого пространства, что подразумевает, что они не могут существовать в виде сгустков внутри пространства… они являются сгустками самого пространства.
Считается, что мельчайшая единица пространства – квантовый объем – составляет в поперечнике один планк, то есть 10-35 метра. Мне всегда доставляло удовольствие представлять, насколько это ничтожный объем. Например, атомное ядро содержит столько планков, сколько кубических метров в Млечном Пути.
Если мы хотим квантовать гравитационное поле, такая дискретизация пространства кажется неизбежной. Из этого следует, что время тоже должно быть «комковатым». Так что ровное пространство и время, данное нам в ощущениях – это не что иное, как крупномасштабное приближение «комковатых» гравитационных квантов, которые представляются нам разглаженными, поскольку отдельные пространственно-временные пиксели слишком малы для нашего восприятия.
Теория петлевой квантовой гравитации абсолютно противоречит теории струн, согласно которой гравитационное поле действует через квантовые гравитационные частицы (гравитоны, лишенные массы состояния струн), и в этом она схожа со Стандартной моделью, согласно которой три силы (электромагнетизм и сильное/слабое ядерные взаимодействия) являются, по сути, квантовыми полями, действующими через частицы – носители импульса. В теории струн этот квант гравитационного поля существует внутри пространства-времени, тогда как в теории петлевой гравитации квантуется само понятие пространства-времени.
Теория петлевой гравитации подразумевает замкнутый маршрут, который ведет от одного кванта пространства через некие соединения к соседним квантам, причем он имеет форму петли и снова выводит к начальной точке. Характер этих петель определяет искривленность пространства-времени. В отличие от струн петли не физические сущности. Реально существуют лишь соотношения между петлями.
В каком-то смысле теория петлевой квантовой гравитации работает в достаточно скромном масштабе. Но, рассмотрев ее повнимательнее, начинаешь понимать, что если она и правда соответствует нашей реальности, то не в том смысле, что события происходят в определенном пространстве в течение определенного периода времени, а в том, что Вселенная и все, что в ней есть, – вся материя и энергия – это лишь сосуществующие квантовые поля, перекрывающие друг друга. Причем для существования этих полей не требуется ни пространства, ни времени, поскольку само пространство-время представляет собой одно из этих полей.
Итак, мы пока не можем утверждать, что получили истинную теорию всего; мы также еще не понимаем, как свести воедино квантовую механику и общую теорию относительности. Скорее, у нас есть теории, претендующие на эту роль, которые имеют определенные перспективы, но все же оставляют много вопросов открытыми.
Некоторые блестящие физики посвятили всю свою жизнь разработке одной из таких теорий, однако, как и в случае с различными интерпретациями квантовой механики, здесь все сильно замешано на социологии науки, и мнение о том, какая теория наиболее перспективна, на самом деле зависит от того, с кем ты разговариваешь. Итак, в общих чертах в красном углу ринга – теория струн, которая на данный момент представляется нашей самой удачной попыткой унификации всех четырех сил природы, хотя после более чем 30-летних исследований она все еще является спекулятивной. Действительно, можно сказать, что это еще даже не настоящая научная теория, поскольку она не позволила сделать никаких экспериментально подтверждаемых предположений. А в синем углу ринга – теория петлевой квантовой гравитации, которая кажется наиболее логичным способом квантизации пространства-времени, однако не помогает объединить гравитацию с остальными силами. Мы так и не знаем, какой из двух подходов ближе к истине, следует ли их объединить или, может, поискать какую-нибудь совершенно новую теорию?
И это прямо подводит нас к вопросу о современных проблемах и противоречиях в фундаментальной физике, а также о том, какие открытия могут нас ожидать в ближайшем будущем.
Рис. 4. Унификация – упрощенная схема, иллюстрирующая, как концепты физики (теории, явления, силы) с годами сближались друг с другом. Заметьте, что, хотя хронология соответствует действительности (в направлении слева направо), она не слишком точна. Например, специальная теория относительности расположена прямо под ньютоновской теорией притяжения, хотя последняя появилась на 100 лет раньше
Глава 8. Будущее физики
Замечательные успехи физики в XX веке могут навести на мысль, что нам осталось только разгладить отдельные складки, усовершенствовать экспериментальные методы, нанести завершающие штрихи на наши математические теории – все, что можно, мы уже узнали и надо просто расставить точки над i. Возможно, у вас создалось впечатление, что нам не нужен второй Ньютон или Эйнштейн (или Максвелл, Резерфорд, Бор, Дирак, Фейнман и Хокинг), который мог бы произвести революцию в физике, потому что мы уже находимся на пороге открытия теории всего, которая объяснит все, что происходит во Вселенной.
К сожалению или к счастью, если вы физик-теоретик, только начинающий свою карьеру и ищущий серьезную тему, которой стоило бы заняться, – это совсем не так. Я даже сказал бы, что сегодня мы еще дальше от конца книги под названием «Физика», чем нам это казалось 20–30 лет назад. Мы считаем, что с помощью Стандартной модели можно объяснить все составные части материи и энергии, но теперь мы совершенно уверены, что все, что мы обнаружили, составляет лишь 5 % Вселенной. Остальные 95 %, известные как темная материя или темная энергия, в определенной степени остаются тайной. Мы уверены, что она есть, но не знаем, из чего она состоит и как ее существование согласуется с действующими теориями. В этой главе, наряду с другими важнейшими проблемами физики, я расскажу об исследовании этой тайны.
Темная материя
Скорость вращения галактик, движение целых галактик внутри скопления галактик, а также структура Вселенной в целом – все указывает на то, что существенная ее часть состоит из почти невидимого вида материи. Мы называем ее темной не потому, что она скрыта за другой, видимой материей, и даже не потому, что она на самом деле темная, а потому, что, насколько мы понимаем, она не поддается воздействию электромагнитной силы и, таким образом, не излучает света и не взаимодействует с обычной материей, если не считать гравитацию[28],так что, возможно, ее лучше бы называть невидимой материей. Задумайтесь на минутку, почему, когда вы ударяете рукой по столу, рука не проходит насквозь. Можно подумать, что это само собой разумеется – конечно, причина в том, что и ваша рука, и стол сделаны из твердого материала. Однако не забывайте, что на уровне атомов материя в основном представляет собой пустое пространство – диффузные электронные облака, окружающие крошечное ядро, – так что у атомов, из которых состоит ваша рука, должно быть достаточно возможностей, чтобы проникнуть в промежутки между атомами стола. Этого не происходит из-за электромагнитной силы, действующей между электронами в атомах вашей руки и электронами в атомах стола, которая вызывает отталкивание и создает сопротивление, воспринимаемое нами как твердость. Однако, если бы ваша рука состояла из темной материи, она бы спокойно прошла сквозь стол, как если бы его не было – сила гравитации между ними слишком мала, чтобы оказать сколь-нибудь заметный эффект.
Уже давно известно, что галактики обладают большей массой, чем можно получить, если взвесить всю обычную материю, которая содержится в них в виде звезд, планет, а также межзвездной пыли и газа. В какой-то момент считалось, что темная материя состоит из давно умерших звезд и черных дыр – объектов, содержащих обычную материю, которые, однако, не излучают света. Но сегодня большая часть данных свидетельствует о том, что невидимая материя, скорее всего, представляет собой новый вид материи из новых видов частиц, которые нам еще предстоит открыть.
Первоначально высказывалась мысль, что темная материя объясняет перемещение целых галактических скоплений. Дальнейшие данные были получены на основании того, как движутся звезды внутри спиральных галактик – они кружатся, подобно нерастворившимся кофейным гранулам на поверхности кружки с растворимым кофе, если его помешать ложкой. Большая часть звезд – и, соответственно, большая часть массы в галактике – сосредоточена вокруг ее ядра, что должно заставить звезды у внешней границы галактики двигаться медленнее. Наблюдаемая на самом деле более высокая, чем ожидалось, скорость этих «внешних» звезд заставляет предположить, что здесь задействовано еще какое-то невидимое вещество, которое выходит за пределы видимой материи и создает дополнительный гравитационный «клей», не дающий внешним звездам разлетаться в разные стороны.
Существование темной материи также подтверждается тем, как она «заворачивает» вокруг себя пространство. Это явление проявляется в том, каким образом искривляется траектория света, пока он идет от далеких объектов к нашим телескопам. Степень такого искривления можно объяснить только дополнительным гравитационным искривлением пространства, вызванным темной материей галактик, через которые свет проходит по пути к Земле.
Так что же мы знаем о темной материи кроме того, что она вызывает это необходимое дополнительное притяжение? Разве его нельзя объяснить чем-то менее экзотичным, чем новая форма энергии? Действительно, многие астрофизики полагают, что темная материя не нужна вовсе, но тогда придется допустить, что свойства гравитационной силы на больших расстояниях способны изменяться. Одно из таких предположений, известное под названием MOND (Modified Newtonian dynamics, модифицированная ньютоновская динамика), с первого взгляда может показаться вполне привлекательным. Однако, хотя MOND или другие связанные с ней гипотезы, модифицирующие общую теорию относительности, способны объяснить некоторые из наблюдаемых эффектов, многое они объяснить не могут. Ни одна из этих моделей не соответствует данным, касающимся скоплений галактик, в частности данным о столкновении галактик (знаменитый Пулевой кластер, или кластер Пуля), о детальной структуре космической микроволновой фоновой радиации или о недавно открытых карликовых галактиках.