[101]. Однако если бы было гораздо больше поколений нейтрино, они ускорили бы расширение огненного шара в Большом взрыве, в результате чего образовавшееся во Вселенной количество гелия превышало бы нынешнее. Согласно расчетам, Вселенная, содержащая 10 % атомов гелия, возможна только при наличии не более трех-четырех поколений нейтрино. Таким образом, может существовать четвертое, еще более тяжелое поколение элементарных частиц, которое, возможно, ждет своего открытия. Однако большинство физиков были бы против такого развития событий[102]. Почему природа решила утроить набор элементарных частиц, лежащих в основе мироздания? Это одна из самых сокровенных тайн, и пока она остается неразрешимой загадкой. Без сомнения, массивные версии обычных кварков и лептонов сыграли свою важную роль в создании окружающей нас Вселенной. Есть надежда, что удастся прояснить эту роль, когда в конце концов физики придут к единому описанию элементарных частиц и взаимодействий между ними и создадут легендарную «теорию всего».
33. Эта чудесная струнаДесять измерений Вселенной
Честно говоря, мы нуждаемся в дополнительных измерениях. Вначале мы относились к ним с подозрением, но потом поняли, что они могут принести большую пользу, так как теория струн способна описать не только все элементарные частицы и взаимодействия между ними, но и гравитацию, если использовать дополнительные измерения.
На фундаментальном уровне все, что существует во Вселенной – это частицы материи и силы, которые действуют между ними. Первым осознал эту истину Исаак Ньютон. В настоящее время мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях. Чаще всего мы сталкиваемся с гравитацией и с электромагнетизмом. Электромагнитные силы помогают атомам нашего тела объединяться в единое целое. Они же управляют сложными процессами в нашем наэлектризованном мире. В 1915 году Альберт Эйнштейн обратил внимание на то, что при изучении одной из этих сил нас могут ожидать сюрпризы. Как мы увидели в предыдущей главе, силы гравитации как таковой на самом деле не существует.
Согласно теории Ньютона, сила гравитации, действующая между Солнцем и Землей, подобна невидимым оковам, опутавшим Землю и поместившим ее навсегда в гравитационную ловушку рядом с Солнцем. Эйнштейн осмелился не согласиться с этим устоявшимся мнением. Он показал, что на самом деле массивное тело – например, Солнце – деформирует пространство-время вокруг себя. Если рядом оказывается другое тело – например, Земля – оно попадает в своеобразную лощину и вынуждено вращаться по верхним склонам этой лощины[103].
В соответствии с теорией Эйнштейна, гравитация – это сила, которую мы изобрели, чтобы объяснить наше движение вдоль рельефа четырехмерного пространства-времени. Будучи трехмерными существами, мы совершенно ничего не знаем об этом четырехмерном рельефе. Два физика, Теодор Калуца и Оскар Клейн, воодушевленные таким подходом, начали в 20-х годах XX века независимо друг от друга разрабатывать новую метрику для теории Эйнштейна. Они решили выяснить, может ли электромагнитная сила – вторая фундаментальная сила природы, известная в то время – быть и проявлением кривизны пространства с размерностью более трех. Их догадка оказалась верна. Калуца и Клейн смогли объяснить гравитацию и электромагнетизм как следствия кривизны пятимерного пространства-времени.
Конечно, мы не способны воспринимать пятое измерение пространства-времени. Это потому, утверждали Калуца и Клейн, что дополнительное измерение «свернуто в калачик» и занимает объем, гораздо меньший, чем размер атома. К сожалению, идея Калуцы и Клейна была практически забыта, когда эксперименты с ядрами атомов доказали наличие еще двух фундаментальных взаимодействий: короткодействующих слабого и сильного ядерных взаимодействий.
А теперь перенесемся на полвека вперед. Изучение сильного взаимодействия натолкнуло ученых на мысль, что фундаментальные компоненты вещества, шесть кварков и шесть лептонов, связанные друг с другом четырьмя видами фундаментальных взаимодействий, на самом деле представляют собой не частицы наподобие крошечных бильярдных шариков, а одномерные струны, обладающие энергией и массой. Основная идея заключается в том, что различные колебания таких струн соответствуют различным фундаментальным частицам: медленные и низкоэнергетические колебания соответствуют легким частицам, а быстрые и высокоэнергетические колебания – массивным частицам. Представьте себе колебания скрипичной струны. Если принять на вооружение теорию струн, то можно сказать, что законы физики сводятся к основам гармонии и теории музыки.
В теории струн предполагается, что колебания струн описывают не только элементарные частицы, из которых состоит вся материя, но и частицы-переносчики взаимодействий. Квантовая теория, которая весьма успешно характеризует поведение атомов и их составных частей, показала, что фундаментальные взаимодействия обязаны своим происхождением специальным частицам, которые переносят эти взаимодействия. Так, электромагнитное взаимодействие осуществляется благодаря фотону[104]. И на этом этапе исследований снова появилась идея о дополнительных измерениях – хотя и не совсем в той форме, как ее развивали Калуца и Клейн. Чтобы объяснить четыре фундаментальных взаимодействия в природе, необходимо в общей сложности рассматривать десять измерений пространства-времени, то есть не одно, а шесть дополнительных пространственных измерений в дополнение к тем трем, с которыми мы хорошо знакомы. Мы, конечно, не замечаем эти дополнительные измерения. Поклонники теории струн с легкостью выходят из этой трудной ситуации: так же, как их предшественники Калуца и Клейн, они говорят, что дополнительные измерения компактифицированы – свернуты в крошечные колечки размерами гораздо меньше атомных ядер.
Если вы еще не слишком устали от заумных рассуждений о невидимых шести измерениях пространства, о которых мы ничего не знаем, то давайте рассмотрим сами струны. Эти струны до смешного малы; предположительно, их размеры в миллион миллиардов раз меньше атома водорода. Понятно, что наблюдать такие объекты в принципе невозможно. Следовательно, мы не можем исследовать их и не можем непосредственно подтвердить или опровергнуть теорию струн.
Вдумчивый читатель может спросить: почему теоретики с таким энтузиазмом ухватились за теорию, изучающую в принципе ненаблюдаемые объекты? Теорию, основной упор в которой делается на то, что мы живем в десятимерном мире? Ведь все хорошо знают, что мы с вами живем в мире четырехмерном. Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним о двух самых больших достижениях физики XX века – теории гравитации Эйнштейна, также известной как общая теория относительности, и квантовой теории. Теория гравитации царствует в мире огромных масштабов, во всей Вселенной; квантовая теория довольствуется гораздо меньшим, управляя атомами и частичками, из которых они состоят. Как бы то ни было, во времена Большого взрыва огромная Вселенная была настолько мала, что поместилась бы внутри атома. Чтобы понять происхождение Вселенной, мы должны объединить в единой теории законы, действующие как на очень больших, так и на очень малых расстояниях. На сегодняшний момент только теория струн позволяет сделать это. В рамках этой теории одна из колеблющихся струн – струна, замкнутая в виде петли – описывает поведение гравитона, гипотетического кванта гравитационного поля, ответственного за гравитационное взаимодействие. Таким образом, теория струн, являясь по сути квантовой теорией, включает в себя и теорию гравитации.
34. Завтра хорошо, а сегодня лучшеПрошлое, настоящее и будущее – существуют ли они на самом деле?
Просто он ушел из этого странного мира чуть раньше меня. Это ничего не значит. Люди вроде нас, верящие в физику, знают, что разница между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь упрямая и стойкая иллюзия.
Картина реальности, которой мы руководствуемся в настоящее время, основывается на теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, скорость течения времени относительна и зависит от того, по отношению к чему вы ее измеряете и с какой скоростью двигаетесь, а также от напряженности гравитационного поля, в котором вы находитесь. Таковы выводы из специальной теории относительности Эйнштейна (1905) и из его общей теории относительности (1915). Поскольку мы все как жители Земли находимся в общем гравитационном поле нашей планеты, для нас особое значение приобретает первый эффект – эффект относительного движения.
Скорость света в нашей Вселенной – по некоторой неизвестной причине – играет роль предельно достижимой скорости и фактически воспринимается нами как бесконечная скорость. Она накладывает отпечаток на наше восприятие времени, зависящее от скорости нашего движения. Эйнштейн сказал: «Скорость света в нашей теории физически играет роль бесконечно большой скорости»[106].
Точно так же, как невозможно догнать объект, летящий с бесконечной скоростью, невозможно догнать и луч света. Неважно, насколько быстро вы будете двигаться – по сравнению с бесконечной любая ваша скорость останется ничтожно малой и не будет идти ни в какое сравнение с бесконечной, которая по-прежнему будет восприниматься именно как бесконечная скорость. Подставьте вместо бесконечности скорость света и вы поймете, почему скорость света всегда остается одной и той же для всех, независимо от скорости их движения.
Давайте задумаемся о странности этого утверждения. Скорость объекта – это расстояние, пройденное им за определенное время; например, автомобиль может развить на магистрали скорость 100 км/ час. Однако, если скорость света одинакова для всех, кто ее измеряет, значит, что-то происходит с линейкой и часами измерителей. В чем же дело? Эйнштейн выяснил это. Если передать смысл его догадки в двух словах: линейки сокращаются в направлении движения, а время начинает замедляться. Если кто-то вас обгоняет, вам будет казаться, что он сжимается в направлении движения, да и двигаться он будет в замедленном темпе! В действительности вы никогда не почувствуете этот эффект, потому что он проявляется только на скоростях, приближающихся к скорости света, который движется примерно в миллион раз быстрее звука. Скорость света сохраняется одинаковой для всех наблюдателей благодаря грандиозному космическому заговору, в котором участвуют простр