Книга Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни - Леонард Млодинов

История к тому же показывает, что Максвеллово объединение – отнюдь не просто теоретическая красивость: изучение следствий его теории открыло революционные новые явления. К примеру, его уравнения вели к тому, что разряды, движущиеся с ускорением, могут производить волны электромагнитных полей. Эти волны всегда двигались с одной и той же скоростью, равной, по его расчетам, скорости света. Такой вывод подвигнул Эйнштейна к созданию специальной теории относительности. Стоило Максвеллу открыть, что свет есть электромагнитное явление, как стало очевидно: могут существовать и другие электромагнитные волны. А это, в свою очередь, проложило путь немецкому экспериментатору Генриху Рудольфу Герцу – он впервые сгенерировал радиоволны, что привело в итоге к разработке технологий радио, телевидения, радаров, спутникового сообщения, рентгена и микроволновок. В «Лекциях по физике» Фейнман писал: «…вряд ли можно сомневаться, что величайшим событием XIX века будут считать открытие Максвеллом законом электродинамики».

Физики называют теорию, объясняющую все силы природы разом, единой теорией поля. Оно стоит того – на минутку задуматься, что это означает. Чтобы теория стала объединенной, ей необходимо выйти за пределы характеристик отдельных сил и описать взаимодействия сил между собой, как удалось Максвеллу в отношении электрических и магнитных сил и их взаимного порождения.

Большинство физиков, ищущих единую теорию поля, требуют еще большего: они желают показать, как все силы природы рождаются из одной фундментальнейшей, хотят найти основополагающий принцип. И хотя экспериментальных подтверждений существования такой силы в природе (или ее отсутствия) маловато, они все равно стремятся к этой теории – из эстетических соображений или из веры, что ко всем природным законам должен существовать один ключ. Подобная единая теория стала бы окончательной победой физики в греческом стиле. Эйнштейн посвятил поиску такой теории большую часть жизни – годы после теории относительности, – постепенно отходя от основного русла физики, сосредоточенной в основном на более практических вопросах.

Помимо математической красоты и потенциального открытия новых физических явлений, объединенная теория поля к тому же обещает ответы на фундаментальные вопросы о том, почему мы вообще существуем. Именно равновесие всех четырех сил природы, их относительная мощь и различные свойства позволяют Вселенной быть такой, какой мы ее знаем. К примеру, представьте, что сила тяготения была бы не столь хилой по сравнению с сильными взаимодействиями. Тогда звезды сжимались бы и дальше, а их ядерное топливо выгорало бы гораздо быстрее, тем самым предотвращая эволюцию жизни. С другой стороны, если бы гравитация была много слабее, электромагнитное отталкивание не позволило бы звездам сконденсироваться. Если бы сильные взаимодействия не были настолько мощнее электромагнитных, большинство ядер распалось бы. А если бы количества электронов и протонов материи отличались от равновесного хотя бы на один процент, электромагнитная сила между вами и кем-нибудь в ярде от вас была бы мощнее земного тяготения. Силы природы не сопоставимы, но тонко сонастроены. Почему? Отдельные теории описывают индивидуальные силы, и лишь теория, охватывающая все взаимодействия, может ответить на этот основополагающий вопрос мироздания.

Эйнштейн взялся за поиск единой теории поля в ситуации до крайности невыгодной: сильные и слабые взаимодействия к тому времени еще не были известны. Но к 1981 году электромагнетизм и слабые взаимодействия уже были объединены в одну теорию, и у физиков появились соображения, как включить туда же и сильные взаимодействия. Искусительно оно, это движение к единой теории. Через тридцать лет после смерти Эйнштейна его поиск обрел новую популярность. В словарь физиков вошел термин «теория всего». Крупнейшее препятствие на пути к успеху, по всеобщему согласию, – гравитация. Физики не только не знали, как включить силу тяготения в единую теорию, но и для этой силы, даже отдельно взятой, по-прежнему не существовало квантовой теории. Ну или придется поверить Джону Шварцу. Шварц заявлял, что его теория может объединить все силы, даже гравитационную, в единую квантовую теорию.

Теория, которой был одержим Шварц, называлась струнной. Струны в этой теории с обычными, которые на музыкальные инструменты натягивают, мало чем связаны. Струны физикам первым предложил японец Ёитиро Намбу и американец Леонард Сасскинд в 1970 году. Суть состояла вот в чем: точечная частица может на самом деле быть крохотной колеблющейся струной. В чем смысл этой странной идеи? Поначалу казалось, что ее применение разрешит старую проблему экспериментаторов, открывавших все новые и новые частицы. Даже число кварков, при помощи которых Марри мог объяснить существование большого количества частиц гораздо меньшим их числом, за годы со времени их предположения пришлось серьезно увеличить. Поэтому-то изначальное обаяние струнной теории тесно связано с мыслью, в рождении которой в 1950-х поучаствовал Марри, еще даже до своих кварков: все эти частицы могут быть просто разновидностями одной и той же.

Струнная теория предполагает единый принцип, объединяющий в себе все силы, и одна основополагающая частица – струна. Ее свойства зависят от ее состояния колебаний – так же, как мода колебаний определяет звук скрипичной струны, но в этом случае колебательные состояния проявляются как разные частицы, а не звуки. Эта единая сущность – струна, – таким образом, отвечает за разнообразие частиц в природе и за силы, на которые они реагируют.

Математическая форма, в которую облеклась теория струн, всерьез намекала, что у этой теории есть все шансы на полное объединение сил, даже гравитационной. Некоторым – Шварцу, например, – это казалось чудом. Но то были всего лишь общие свойства теории, а не такие предсказания, какие можно проверить в лаборатории. А потому важнейший вопрос оставался открытым: верна ли струнная теория?

Может показаться, что проверить это легко. Надо лишь пристально вглядеться в частицу. Есть там крошечная трепещущая струна или нет? Но элементарные частицы так малы, что мы не можем их рассмотреть с достаточной точностью и увидеть их устройство. Причина тут такая же, как в случае с родинкой в виде скрипки у вас на носу: с большого расстояния она выглядит крошечной мушкой – как называла ее ваша мама. И все же наша неспособность впрямую проверить, сделаны ли частицы из струн, не означает, что теория, построенная на этом предположении, не имеет следствий. Предположим, вы смотрите на мою жизнь с большого расстояния – скажем, исходя из немногих встреч со мной по работе, но не как с другом. Вы могли бы подумать обо мне, что я говорю разумные вещи, у меня неплохие рекомендации, да еще и тепленькое местечко в Калтехе, а значит, я успешный, уверенный в себе малый. Но кто я в глубине души? Вот этого, с поправкой на наши отношения, вы, вероятно, определить не сумеете. Но сможете построить теорию. Читаю ли я дома на досуге Джейн Остен, или тихо вожусь в саду, или играю на скрипке? А может, я надираюсь мартини и пытаюсь удержать своего соседа-мусорщика от того, чтобы он не вышиб себе мозги? Безусловно, есть определенные обстоятельства, в которых поведение этих Леонардов из двух теорий разветвится, и, наблюдая меня в этих обстоятельствах, вы сможете уразуметь, какая ближе к истине. Так же и со струнами. Хотя мы с природой не настолько близки, чтобы напрямую проверить, из струн ли состоят частицы, вопрос заключается вот в чем: можно ли создать условия, при которых наблюдаемые следствия, предсказанные струнной теорией и не-струнной, войдут в противоречие? Придумать такой эксперимент – вот на что больше всего уповают струнники. К сожалению, никто пока до такого эксперимента не додумался. Теория оказалась слишком сложна математически.