Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Вернемся теперь к квантовой теории тяготения, которая основывается на гипотезе существования гравитона — кванта поля тяготения. Гравитон подобен фотону — это безмассовая частица, движущаяся со скоростью света. Гравитон должен проявлять свои уникальные свойства на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Поле тяготения в таких масштабах приобретает совершенно новые черты и становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и создается героическими усилиями интернационального коллектива физиков многих стран. Однако главным препятствием для развития этой замечательной теории остается отсутствие надежных экспериментальных данных.

Излучение одного из кандидатов в коллапсары

Определенной проверкой для теории квантовой гравитации может служить загадка излучения черных дыр. Физики разработали модель черной дыры, излучающей энергию и элементарные частицы пропорционально площади ее поверхности. Вскоре знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры, особенно маленькие, должны излучать частицы и энергию, хотя затем он несколько изменил свои взгляды.

СУПЕРГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ

Эйнштейн в шутку как-то заметил, что с тех пор, как на его теорию навалились математики, он сам перестал ее понимать. Но по сравнению с теорией супергравитации общая теория относительности — легкое чтение! Можно было бы думать, что сегодня и в обозримом будущем супергравитационная теория будет иметь лишь чисто умозрительное значение, ведь когда еще мы доберемся до сверхмалых расстояний, где гравитино вносит заметный вклад! Однако у этой теории есть свойство, которое, когда его обнаружили, стало настоящей сенсацией и буквально приковало к себе внимание физиков.

Чтобы уяснить, в чем тут дело, вспомним прочитанное в предыдущих главах и перенесемся на много лет назад, к концу двадцатых годов прошлого века, когда только что созданная квантовая механика находила все новые и новые экспериментальные подтверждения, а физики были полны вдохновения и оптимизма.

В те далекие времена двое теоретиков, немец Вернер Гейзенберг и швейцарец Вольфганг Паули, применили идеи новой — квантовой — теории к электромагнитному полю. Теория получилась удивительно элегантной и позволила рассчитать много новых эффектов. Квантовая физика торжествовала еще одну победу. Казалось, удалось создать единую теорию вещества и поля, которая с высокой точностью описывает все явления микромира.

И тут неожиданно выяснилось, что для массы электрона, его электрического заряда и ряда других связанных с ними величин новая теория дает физически бессмысленные бесконечные значения!

В таком противоестественном состоянии квантовая наука существовала более полувека. Она умела с высокой точностью рассчитывать строение атомов и молекул, точно предсказывать вероятности различных процессов с элементарными частицами и вместе с тем была буквально нафарширована бесконечностями.

На помощь пришла суперсимметрия. Оказалось, что бесконечности, связанные с квантовой гравитацией, компенсируют друг друга. Это был выдающийся успех. Первая область квантовой физики, где злой дух бесконечностей был побежден и изгнан! Появилась реальная надежда создать непротиворечивую теорию элементарных частиц.

Однако более тщательные исследования показали, что часть бесконечностей все же осталась. И вот тут был сделан еще один важный шаг — выдвинута гипотеза о том, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения.

Если раньше физическая наука напоминала архипелаг, то теперь острова слились в единый, крепко сцементированный законами симметрии материк. Образно говоря, найдена формула строения мира. В заголовках физических статей появился даже полузабытый со времен Эйнштейна термин «теория всего». Конечно, использующие этот термин физики понимают всю его условность: мир слишком многообразен, чтобы можно было полностью описать его одной или несколькими формулами. Речь может идти лишь об ограниченной, уже изученной его области (рис. 25 цв. вкл.).

Итак, нужна какая-то очень глубокая теоретическая идея. Вот тут ученые и вспомнили о странном результате, который в начале двадцатых годов получил работавший в Кенигсбергском университете польский физик Теодор Калуца.

Как и на других ученых, на Калуцу огромное впечатление произвел вывод Эйнштейна о том, что, являясь физической силой, тяготение тем не менее имеет чисто геометрическую природу, являясь искривленностью четырехмерного пространства-времени. Кроме гравитации в то время был известен еще только один тип сил — электромагнитные, и Калуца предположил, что они тоже имеют какое-то геометрическое происхождение.