Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

В каком-то смысле теория петлевой квантовой гравитации работает в достаточно скромном масштабе. Но, рассмотрев ее повнимательнее, начинаешь понимать, что если она и правда соответствует нашей реальности, то не в том смысле, что события происходят в определенном пространстве в течение определенного периода времени, а в том, что Вселенная и все, что в ней есть, – вся материя и энергия – это лишь сосуществующие квантовые поля, перекрывающие друг друга. Причем для существования этих полей не требуется ни пространства, ни времени, поскольку само пространство-время представляет собой одно из этих полей.

Итак, мы пока не можем утверждать, что получили истинную теорию всего; мы также еще не понимаем, как свести воедино квантовую механику и общую теорию относительности. Скорее, у нас есть теории, претендующие на эту роль, которые имеют определенные перспективы, но все же оставляют много вопросов открытыми.

Некоторые блестящие физики посвятили всю свою жизнь разработке одной из таких теорий, однако, как и в случае с различными интерпретациями квантовой механики, здесь все сильно замешано на социологии науки, и мнение о том, какая теория наиболее перспективна, на самом деле зависит от того, с кем ты разговариваешь. Итак, в общих чертах в красном углу ринга – теория струн, которая на данный момент представляется нашей самой удачной попыткой унификации всех четырех сил природы, хотя после более чем 30-летних исследований она все еще является спекулятивной. Действительно, можно сказать, что это еще даже не настоящая научная теория, поскольку она не позволила сделать никаких экспериментально подтверждаемых предположений. А в синем углу ринга – теория петлевой квантовой гравитации, которая кажется наиболее логичным способом квантизации пространства-времени, однако не помогает объединить гравитацию с остальными силами. Мы так и не знаем, какой из двух подходов ближе к истине, следует ли их объединить или, может, поискать какую-нибудь совершенно новую теорию?

И это прямо подводит нас к вопросу о современных проблемах и противоречиях в фундаментальной физике, а также о том, какие открытия могут нас ожидать в ближайшем будущем.

Рис. 4. Унификация – упрощенная схема, иллюстрирующая, как концепты физики (теории, явления, силы) с годами сближались друг с другом. Заметьте, что, хотя хронология соответствует действительности (в направлении слева направо), она не слишком точна. Например, специальная теория относительности расположена прямо под ньютоновской теорией притяжения, хотя последняя появилась на 100 лет раньше

Глава 8. Будущее физики

Замечательные успехи физики в XX веке могут навести на мысль, что нам осталось только разгладить отдельные складки, усовершенствовать экспериментальные методы, нанести завершающие штрихи на наши математические теории – все, что можно, мы уже узнали и надо просто расставить точки над i. Возможно, у вас создалось впечатление, что нам не нужен второй Ньютон или Эйнштейн (или Максвелл, Резерфорд, Бор, Дирак, Фейнман и Хокинг), который мог бы произвести революцию в физике, потому что мы уже находимся на пороге открытия теории всего, которая объяснит все, что происходит во Вселенной.

К сожалению или к счастью, если вы физик-теоретик, только начинающий свою карьеру и ищущий серьезную тему, которой стоило бы заняться, – это совсем не так. Я даже сказал бы, что сегодня мы еще дальше от конца книги под названием «Физика», чем нам это казалось 20–30 лет назад. Мы считаем, что с помощью Стандартной модели можно объяснить все составные части материи и энергии, но теперь мы совершенно уверены, что все, что мы обнаружили, составляет лишь 5 % Вселенной. Остальные 95 %, известные как темная материя или темная энергия, в определенной степени остаются тайной. Мы уверены, что она есть, но не знаем, из чего она состоит и как ее существование согласуется с действующими теориями. В этой главе, наряду с другими важнейшими проблемами физики, я расскажу об исследовании этой тайны.

Темная материя

Скорость вращения галактик, движение целых галактик внутри скопления галактик, а также структура Вселенной в целом – все указывает на то, что существенная ее часть состоит из почти невидимого вида материи. Мы называем ее темной не потому, что она скрыта за другой, видимой материей, и даже не потому, что она на самом деле темная, а потому, что, насколько мы понимаем, она не поддается воздействию электромагнитной силы и, таким образом, не излучает света и не взаимодействует с обычной материей, если не считать гравитацию[28],так что, возможно, ее лучше бы называть невидимой материей. Задумайтесь на минутку, почему, когда вы ударяете рукой по столу, рука не проходит насквозь. Можно подумать, что это само собой разумеется – конечно, причина в том, что и ваша рука, и стол сделаны из твердого материала. Однако не забывайте, что на уровне атомов материя в основном представляет собой пустое пространство – диффузные электронные облака, окружающие крошечное ядро, – так что у атомов, из которых состоит ваша рука, должно быть достаточно возможностей, чтобы проникнуть в промежутки между атомами стола. Этого не происходит из-за электромагнитной силы, действующей между электронами в атомах вашей руки и электронами в атомах стола, которая вызывает отталкивание и создает сопротивление, воспринимаемое нами как твердость. Однако, если бы ваша рука состояла из темной материи, она бы спокойно прошла сквозь стол, как если бы его не было – сила гравитации между ними слишком мала, чтобы оказать сколь-нибудь заметный эффект.

Уже давно известно, что галактики обладают большей массой, чем можно получить, если взвесить всю обычную материю, которая содержится в них в виде звезд, планет, а также межзвездной пыли и газа. В какой-то момент считалось, что темная материя состоит из давно умерших звезд и черных дыр – объектов, содержащих обычную материю, которые, однако, не излучают света. Но сегодня большая часть данных свидетельствует о том, что невидимая материя, скорее всего, представляет собой новый вид материи из новых видов частиц, которые нам еще предстоит открыть.

Первоначально высказывалась мысль, что темная материя объясняет перемещение целых галактических скоплений. Дальнейшие данные были получены на основании того, как движутся звезды