Никола Тесла — повелитель молний. Научное расследование удивительных фактов - Олег Фейгин

Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны — стринги глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн — весьма распространенное явление в мире элементарных частиц (рис. 29).

Рис. 29. Пространство суперстрингов

Стринги могут разрываться и слипаться, рождая дочерние и внучатые стринги. При этом образуются замкнутые струнные кольца, и более сложные переплетающиеся фигуры. Стринги — это объекты с очень сложной геометрией. Но самое важное состоит в том, что, подобно тому, как это происходит со струной гитары, в них могут возбуждаться колебания — различные полевые обертоны. И так же, как звуковые волны, эти обертоны отделяются от колеблющейся струны и распространяются в виде волн в окружающем вакууме.

Физики и математики сделали очень много для Превращения классической теории относительности в квантовую. Например, сейчас у физиков популярна теория струн. Согласно ей, помимо трех хорошо известных пространственных измерений есть еще шесть или семь, которые до сих пор никому не удавалось заметить. Эти измерения очень компактно скручены наподобие пружин и «спрятаны» в глубине обычного пространства. Выявить их можно только при столкновении очень энергичных частиц. Такие эксперименты планируется провести на новых сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Теория струн также предсказывает существование множества новых элементарных частиц и сил, наличие которых еще ни разу не было подтверждено наблюдениями. Хотя вопросов у теории суперструн пока больше, чем ответов, большинство физиков уверены, что она имеет перспективное будущее. Когда построение теории закончится, ее по праву можно будет назвать «Теорией Всего».

 Интересно, что поначалу большинство физиков встретили новую теорию с недоверием. Избавив их от бесконечностей, она принесла с собой иные очень странные парадоксы, связанные с появлением тахионов и духов. Тахионы — это частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света. Таких частиц в опыте нет. А если бы они были и, как предсказывала новая теория, могли разлетаться на большие расстояния, то это порождало бы массу поразительных явлений, которые никогда не наблюдаются. Еще хуже духи. Так физики называют явления, происходящие с отрицательной вероятностью. Когда говорят, что вероятность обнаружить частицу составляет 30 %, то что означает вероятность «минус 30 %»? Может, что-то и означает, но физики стараются избегать теорий с такими величинами.

Физика во многом сложилась как экспериментальная наука, и лишь прошлый век дал импульс развитию ее теоретической части. С течением времени физические эксперименты становятся все более сложными и дорогостоящими, поэтому физикам все чаще приходится зондировать природу с помощью формул. Для этого выдвигаются гипотезы, которые обобщают уже известные физические законы, а следствия их анализируются чисто теоретически с помощью сложных математических построений.

Внешне это выглядит как что-то вроде «физико-математической фантастики». Казалось бы, не имеющие никакой связи с реальным миром математические грезы физиков-теоретиков напоминают произведения Айзека Азимова и Артура Кларка. Однако далеко не все «сумасшедшие» идеи теоретиков обязательно реализуются в природе. Но понять, почему она предпочла пойти другим путем, тоже очень важно. Это может дать ключ к открытию новых фундаментальных законов.

Хотя мы часто говорим о смелости научной мысли и беспредельном полете фантазии, наши идеи, даже самые фантастические, по существу, не слишком уж далеко выходят за пределы привычного мира. Это проявляется и в теоретической физике, несмотря на всю необычность ее современных представлений. Например, многомерные миры в каких-то отношениях мыслятся как нечто весьма похожее на нашу четырехмерную Вселенную, только с большим количеством координат. В одной своей статье американский физик Стивен Вайнберг иронически заметил, что такие представления сродни уверенности в том, что при любом контакте с космическим разумом мы встретим если не зеленых человечков, то что-нибудь похожее на жука, осьминога или какое-либо другое земное существо.

Уже многие столетия, начиная с античных времен, естествоиспытатели-философы задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоят пространство и время? Действительно ли окружающий нас объем непрерывен или больше похож на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе или мир развивается крошечными скачками, действуя словно компьютер?

За последние годы ученые заметно приблизились к ответам на эти вопросы. Согласно теории со странным названием «петлевая квантовая гравитация» пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Расчеты, выполненные физиками-теоретиками, описывают простую и красивую картину, которая помогает нам объяснить загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально и ученые смогут обнаружить атомы пространства и времени, если они действительно существуют.

Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже на смесь прыжков кенгуру на батуте и движений такой шахматной фигуры, как конь. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном мире. По общей теории относительности перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство — и по нему побегут волны подобно мертвой зыби на морской глади.

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами на некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается. Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены (рис. 30).

Рис. 30. Спиновая пена и квантовые флуктуации

Если представил пространство нашего мира в виде ячеистой сети с волчками — спинами, то с течением времени линии такой спиновой сети будут расширяться и переходить в двумерные поверхности, а узлы — растягиваться в линии. Мгновенный снимок происходящего подобен поперечному срезу пузырьков спиновой пены пространства-времени. 

В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление: фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Очень интересно ведет себя на уровне ячеистого пространства время, будучи также дискретной величиной. Время не течет как река, а тикает как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка», совершенно непредставимой по своей малости величине, описываемой дробью с несколькими десятками нулей.

Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».

Хотя силовое воздействие всемирного тяготения буквально пронизывает всю без исключения нашу среду обитания, его кванты в виде частиц-гравитонов еще не наблюдал ни один исследователь. Убежденность в их существовании исходит в основном от физиков-теоретиков, которые, основываясь на квантовой механике, утверждают, что все без исключения силовые поля должны состоять из элементарных энергетических порций — квантов. Проблемы наблюдения отдельных гравитонов обусловлены их чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом, лежащим за границей чувствительности современных детекторов, ведь оно более чем на 40 (!) порядков слабее электромагнитных сил. Даже по сравнению с самой неуловимой частицей — нейтрино, для поисков которой используются толща мирового океана и сверхглубокие шахты, взаимодействие гравитона выглядит в биллионы миллиардов раз слабее. Каким же образом сила всемирного притяжения управляла рождением Вселенной, определяет современный облик нашего мира и когда-нибудь через десятки миллиардов лет поставит последнюю точку в истории нашей реальности?