Теория всего - софоны, струны и век одиночества

Теория всего: Софоны, струны и век одиночества

О том, как человечество сто лет гонялось за призраком единой теории

---

Пролог: Китайская головоломка, или Что делает протон разумным

Представьте себе обычный протон. Одна из триллионов триллионов частиц, из которых состоит ваше тело. Теперь представьте, что этот протон — не просто точка. Что внутри него, в свернутых измерениях, скрываются целые вселенные возможностей.

В научно-фантастическом романе китайского писателя Лю Цысиня «Задача трёх тел» инопланетная цивилизация трисоляриан хочет оккупировать Землю, очистив ее о нас,  так как нормальная жизнь в из мире невозможна.

Чтоб долететь из звёздному флоту до нас нужно 400 лет. Но пока они  берут протон и «разворачивают» его дополнительные измерения в гигантский плоский лист размером с планету. На этот лист, пользуясь законами сильного взаимодействия, они наносят микроскопические схемы, превращая его в суперкомпьютер. Затем лист сворачивают обратно.

На выходе получается частица размером с обычный протон, но с мощностью квантового процессора, способного думать и действовать. Трисоляриане называют его софон.

Софоны обладают скоростью света, могут самовосстанавливаться после разрушения и, связанные квантовой запутанностью, передают информацию мгновенно на любые расстояния. Несколько таких «протонов-шпионов», отправленных на Землю, проникают в ускорители частиц и подменяют собой результаты экспериментов, выдавая хаотичный, бессмысленный шум. Сами учёные сходят с ума. Возникают другие проблемы.  В итоге научно-технический прогресс блокируется, и мы будем бессильны против пришельцев, когда они прибудут к Земле  - так задумали трисолериане.

«Это не завоевание. Это похоронная процессия», — говорит один из софонов в экранизации романа.

Что стоит за этой, казалось бы, безумной фантазией? Идея, взятая прямиком из самого амбициозного и противоречивого проекта современной физики — теории струн.

---

Часть первая. Век одиночества: 30 лет Эйнштейна и 70 лет после

Альберт Эйнштейн сидел в своём кабинете в Принстоне. На столе — исписанные листы, полные уравнений. 1948 год. Он победил Ньютона, переписал законы гравитации, показал, что время течёт не одинаково для всех, а пространство искривляется под тяжестью звёзд. Он вошёл в пантеон бессмертных.

Но одна задача не давалась ему.

Единая теория поля. Теория, которая объединила бы всё. Гравитацию и электричество. Звёзды и атомы. Макромир и микромир.

«Я хочу знать, как Бог создал этот мир, — говорил он. — Мне не интересны отдельные явления. Я хочу знать Его мысли».

Тридцать лет. Тридцать лет бесплодных попыток до самой смерти ученого. Он писал уравнения, переписывал их, бросал и начинал заново. Коллеги посмеивались. Молодые физики шли другими путями. Но Эйнштейн не сдавался.

Он так и не узнал мыслей Бога.

Но заразил этой болезнью всех остальных.

Вернер Гейзенберг, один из отцов квантовой механики, тоже посвятил конец жизни единой теории поля. В 1958 году он объявил по радио, что вместе с коллегой Вольфгангом Паули наконец-то создал её. «Недостает лишь некоторых технических деталей», — сказал он.

Паули пришёл в ярость. Он отправил соавтору письмо, в которое вложил чистый лист бумаги с подписью: «Вот доказательство, что я умею рисовать, как Тициан. Недостаёт лишь технических деталей».

Нильс Бор, великий датчанин, прослушав лекцию об этой теории, поднялся и сказал: «Все мы единодушны в том, что ваша теория безумна. Мы расходимся лишь в вопросе о том, достаточно ли она безумна».

Лауреат Нобелевской премии Джулиан Швингер заметил: «Это не что иное, как очередной симптом болезни, которой страдает каждое поколение физиков — непреодолимое желание получить ответы на все фундаментальные вопросы ещё при жизни».

Болезнь оказалась заразной. И неизлечимой. Сто лет прошло с момента первой попытки Эйнштейна, а мы всё ещё на том же месте. Или не на том же?

---

Часть вторая. Частичный успех: Стандартная модель и её главная беда

Пока гении гонялись за призраком «всего», физики-практики ковали победу малыми шагами. К 1970-м годам они построили Стандартную модель. Триумф человеческого гения, который объяснил 99% того, что мы видим в микроскопы и на коллайдерах.

Она объединила три из четырёх сил природы: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия. Она систематизировала зоопарк частиц: кварки, лептоны, бозоны. Она предсказала существование бозона Хиггса, который нашли в 2012 году — частицы, отвечающей за массу всего сущего. Это была грандиозная победа.

Но гравитация осталась за бортом.

Для физиков это всё равно что построить идеальный автомобиль, у которого нет руля.

Почему её так трудно добавить? Потому что три силы действуют внутри пространства-времени. Их частицы-переносчики (фотоны, глюоны, W и Z-бозоны) летают по сцене. А гравитация — это свойство самой сцены. В общей теории относительности Эйнштейна гравитация — это искривление пространства и времени.

Попробуйте «сквантовать» само пространство — разбить его на кирпичики. Это как если бы архитектор попытался нарисовать план здания, в котором сама бумага (пространство) может внезапно порваться или сложиться в гармошку.

Стандартная модель стала «теорией почти всего». И эта «почти» не давала покоя никому. Именно этот зазор между квантовым микромиром (Стандартной моделью) и макромиром гравитации (Общей теорией относительности) и пыталась заполнить новая теория.

---

Часть третья. Ноты, из которых соткана Вселенная: рождение теории струн

В 1968 году итальянский физик Габриэле Венециано копался в старых формулах и нашёл нечто странное. Уравнение, описывающее взаимодействие… струн. Не точечных частиц, а одномерных «нитей», которые колеблются.

Так родилась теория струн.

Идея была безумной и прекрасной одновременно. Она переворачивала всё, что мы знали о материи. Представьте, что электроны, кварки, нейтрино — это не точки, а крошечные колеблющиеся струны. Размер этих струн — планковская длина: 10;;; метра. Это в сто миллионов миллиардов раз меньше, чем размер протона. Их невозможно увидеть никаким микроскопом.

Но вот что важно. Если струна колеблется одним способом, мы видим электрон. Другим — кварк. Третьим — фотон. Все частицы — это просто разные ноты, сыгранные на одной струне.

«Теория струн — это часть физики XXI века, которая случайно упала в XX век», — заявил Эдвард Виттен, один из главных гениев этой теории.

И самое главное — эта теория естественным образом включала в себя гравитацию. Среди нот, которые могла сыграть струна, была и частица-переносчик гравитации — гравитон. Та самая, которую никак не могли вписать в Стандартную модель.

Казалось, Святой Грааль найден. Но дьявол, как всегда, скрывался в деталях.

---

Часть четвёртая. Десять измерений и проблема ландшафта

В середине 1980-х разразилась первая суперструнная революция. Майкл Грин и Джон Шварц показали, что теория струн может быть непротиворечивой, только если добавить в неё суперсимметрию. Появилось пять различных версий теории. И все они требовали одного и того же: 10 измерений пространства-времени.

А мы живём в четырёх. Куда делись остальные шесть?

Их «компактифицировали» — свернули в крошечные, невидимые клубки на планковских масштабах.

Представьте себе садовый шланг. Издалека кажется, что у него только одно измерение — длина. Но если приблизиться, мы увидим, что у него есть и второе измерение — окружность. Так же и дополнительные измерения теории струн свернуты так туго, что мы их не замечаем.

И здесь возникла первая большая проблема.

Способов свернуть эти шесть измерений — огромное количество. Около 10;;; возможных вариантов. Каждый вариант свёртки даёт разную физику в нашем четырёхмерном мире. Разные массы частиц, разные константы взаимодействия.

Где же среди этого «ландшафта» (так назвали это множество физики) наша Вселенная? Теория струн не даёт ответа. Она лишь пожимает плечами: «Возможны любые варианты. Выбирай любой».

Скептики говорят: «Теория струн не делает никаких предсказаний. Она просто описывает всё, что угодно. А теория, которая может объяснить всё, не объясняет ничего».

Сторонники возражают: «А может, все эти варианты реальны? Может, существуют бесконечные вселенные с разными законами физики?» Так родилась идея мультивселенной.

Но это уже не физика. Это — метафизика.

---

Часть пятая. Софоны: когда фантастика становится зеркалом науки

И вот теперь, вооружившись этим знанием, давайте вернёмся к софонам из романа Лю Цысиня.

Идея трисоляриан — «развернуть» протон из его дополнительных измерений — прямая отсылка к теории струн. Автор романа, профессиональный инженер-гидроэнергетик, прекрасно понимал, о чём пишет.

Он задал гениальный вопрос: а что, если дополнительные измерения теории струн — это не просто абстрактная математика? Что, если это — пространство, которое можно использовать? Что, если существа, обитающие на планковских масштабах (или способные манипулировать ими), смогут «развернуть» протон и превратить его в компьютер размером с планету?

Софоны — это блестящая метафора уязвимости науки. Всё здание физики держится на экспериментах. Если сломать инструмент познания — сломается и само познание. И теория струн, со своими ушедшими в бесконечность энергиями и ненаблюдаемыми струнами, становится идеальным кандидатом на роль «софона», который зашёл в тупик, не дожидаясь инопланетян.

Эта идея — не просто фантастика. Это — вызов. Если мы не можем проверить теорию струн, быть может, наш коллайдер — это тот самый ускоритель, в который уже запустили «софона»? И хаотичные результаты, которые мы получаем при попытке увидеть новые частицы, — это не случайность, а чей-то злой умысел?

Шутка. Или нет?

---

Вместо послесловия: Битва продолжается

Эйнштейн умер, не решив свою задачу. Гейзенберг тоже. Паули скептически усмехался, но сам потратил годы.

Сегодня физики разделились на два лагеря.

Одни говорят: «Теория струн — это наш единственный кандидат на теорию всего. Она математически непротиворечива, включает гравитацию, объясняет квантовые эффекты. Просто технологии пока не доросли до планковских энергий. Это не наша вина, это вина природы».

Другие отвечают: «Теория струн — это уже не физика, а философия. Она не предсказывает ничего, что можно было бы проверить в обозримом будущем. Это не наука. Это эскапизм».

У истории физики уже был такой прецедент. Птолемеевская система была красивой, стройной и абсолютно неверной. Потребовались Коперник и Галилей, чтобы её опровергнуть.

Может быть, теория струн — это наш Птолемей? Может быть, настоящая революция уже происходит, но мы её не замечаем? Или она случится, когда мы поймём, что тёмная материя (которой в пять раз больше, чем обычной) — это и есть те самые «струны», но только на другом уровне?

Эйнштейн хотел знать мысли Бога. Но Бог, кажется, не торопится раскрывать карты. А может, Он играет в другую игру. Или — ещё страшнее — не Он один.

Что, если где-то далеко во Вселенной цивилизация, опередившая нас на миллионы лет, уже создала свой «софон»? И все наши попытки объединить взаимодействия дают хаотичные результаты именно потому, что кто-то не хочет, чтобы мы узнали правду? (Привет конспирологам!)

Тогда теория струн — это не тупик. Это — зеркало, в котором мы видим не ответы, а вопрос: готовы ли мы их услышать?

---

Вадим Элефантов (hobboth)