Физика невозможного - Мичио Каку

Другие художники тоже пытались рисовать из четвертого измерения. На картине Сальвадора Дали «Распятие» Христос распят перед странным плывущим в пространстве трехмерным крестом, который на самом деле представляет собой развертку четырехмерного куба. В своей знаменитой картине «Упорство памяти» он попытался представить время как четвертое измерение— отсюда и метаформа растекшихся часов. Картина «Обнаженная фигура, спускающаяся по лестнице» Марселя Дюшана — попытка представить время как четвертое измерение через изображение нескольких стадий движения. Четвертое измерение появляется даже у Оскара Уайльда в рассказе «Кентервильское привидение», ведь привидение там живет в четвертом измерении.

Четвертое измерение фигурирует также в нескольких произведениях Герберта Уэллса, включая «Человека-невидимку», «Историю Платтнера» и «Удивительный визит». (В последнем рассказе, который с тех пор успел стать основой десятков голливудских фильмов и научно-фантастических романов, наша Вселенная каким-то образом сталкивается с параллельной вселенной. Несчастный ангел из соседней вселенной попадает под случайный выстрел охотника и проваливается в нашу Вселенную. В конце концов он, потрясенный алчностью, мелочностью и эгоизмом, царящими в нашей Вселенной, кончает жизнь самоубийством.)

Роберт Хайнлайн в романе «Число зверя» исследует идею о параллельных вселенных с иронией. В этом романе четверо храбрых землян носятся по параллельным вселенным на спортивной машине сумасшедшего профессора, способной передвигаться между измерениями.

В телесериале «Скользящие» мальчик под влиянием одной книги решает построить машину, которая позволила бы ему «скользить» между параллельными вселенными. (Можно добавить, что герой сериала прочитал мою книгу «Гиперпространство».)

Но исторически сложилось так, что физики рассматривали четвертое измерение лишь как забавную диковинку. Никаких свидетельств существования высших измерений не было. Положение начало меняться в 1919 г., когда физик Теодор Калуца написал очень спорную статью, в которой намекнул на существование высших измерений. Начав с общей теории относительности Эйнштейна, он поместил ее в пятимерное пространство (четыре пространственных измерения и пятое — время; поскольку время уже утвердилось как четвертое измерение пространства-времени, физики теперь называют четвертое пространственное измерение пятым). Если делать размер Вселенной вдоль пятого измерения все меньше и меньше, уравнения волшебным образом распадаются на две части. Одна часть описывает стандартную теорию относительности Эйнштейна, зато другая превращается в теорию света Максвелла!

Это стало поразительным откровением. Возможно, тайна света скрыта в пятом измерении! Такое решение шокировало даже Эйнштейна; казалось, оно обеспечивает элегантное объединение света и гравитации. (Эйнштейн был так потрясен предположением Калуцы, что два года раздумывал, прежде чем дал согласие на публикацию его статьи.) Эйнштейн писал Калуце: «Идея получить [объединенную теорию] посредством пятимерного цилиндра никогда не пришла бы мне в голову... С первого взгляда мне ваша идея чрезвычайно понравилась... Формальное единство вашей теории поразительно».

Много лет физики задавались вопросом: если свет — это волна, то что, собственно, колеблется? Свет способен преодолевать миллиарды световых лет пустого пространства, но пустое пространство — это вакуум, в нем нет никакого вещества. Так что же колеблется в вакууме? Теория Калуцы позволяла выдвинуть по этому поводу конкретное предположение: свет—это настоящие волны в пятом измерении. Уравнения Максвелла, точно описывающие все свойства света, получаются в ней просто как уравнения волн, которые двигаются в пятом измерении.

Представьте себе рыб, плавающих в мелком пруду. Возможно, они даже не подозревают о существовании третьего измерения, ведь их глаза смотрят в стороны, а плыть они могут только вперед или назад, вправо или влево. Возможно, третье измерение даже кажется им невозможным. Но теперь вообразите себе дождь на поверхности пруда. Рыбы не могут видеть третье измерение, но они видят тени и рябь на поверхности пруда. Точно так же теория Калуцы объясняет свет как рябь, которая двигается по пятому измерению.

Калуца дал также ответ на вопрос, где находится пятое измерение. Поскольку мы не видим вокруг никаких признаков его существования, оно должно быть «свернутым» до столь малой величины, что заметить его невозможно. (Возьмите двумерный лист бумаги и плотно скатайте его в цилиндр. Издалека цилиндр будет казаться одномерной линией. Получается, что вы свернули двумерный объект и сделали его одномерным.)

Поначалу работа Калуцы произвела сенсацию. Но в последующие годы нашлись и серьезные возражения против его теории. Каковы размеры этого нового пятого измерения? Каким образом оно свернулось? Ответов не было.

На протяжении нескольких десятилетий Эйнштейн принимался время от времени работать над этой теорией. Но после его смерти в 1955 г. теорию быстро забыли, она превратилась в забавное примечание на страницах истории физики.

Все изменилось с появлением поразительной новой теории, получившей название теория суперструн. К началу 1980-х гг. физики буквально утонули в море элементарных частиц. Каждый раз, разбивая атом на части при помощи мощного ускорителя частиц, они, к немалому изумлению, обнаруживали, что из расщепленного атома вылетают десятки новых частиц. Такое положение дел настолько обесьсураживало, что Роберт Оппенгеймер заявил: Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы! (Энрико Ферми, в ужасе от того, как безудержно плодятся элементарные частицы с греческими буквами в названиях, сказал: «Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».) Лишь после десятилетий кропотливой работы этот густонаселенный зоопарк удалось организовать хоть в какую-то систему под названием Стандартная модель. Миллиарды долларов, тяжкий труд тысяч инженеров и физиков и 20 Нобелевских премий позволили сложить мозаику Стандартной модели буквально по кусочкам. Это поистине замечательная теория, соответствующая, насколько можно судить, всем экспериментальным данным субатомной физики.

Но Стандартная модель, несмотря на экспериментальный успех, обладает одним очень серьезным недостатком. Как говорит Стивен Хокинг, «она некрасива и достаточно произвольна». В ней по крайней мере 19 свободных параметров (в том числе масса частицы и сила ее взаимодействия с другими частицами), 36 кварков и антикварков, еще три важные субатомные частицы и их античастицы и множество других субатомных частиц со странными названиями, таких как глюоны Янга-Миллза, бозоны Хиггса, W-бозоны и Z-частицы. Хуже того, Стандартная модель ничего не говорит о гравитации. Трудно поверить, что природа на самом первичном, базовом уровне может быть столь запутанной и в высшей степени неэлегантной. Эту теорию мог бы полюбить только человек, вложивший в нее свою душу. Отсутствия красоты в Стандартной модели оказалось достаточно, чтобы физики захотели заново проанализировать свои представления о природе. Что-то здесь было не так.

Если внимательно рассмотреть развитие физики за последние несколько столетий, окажется, что одним из важнейших достижений последнего из них стало сведение всех фундаментальных физических законов в две великие теории: квантовую теорию (представленную Стандартной моделью) и общую теорию относительности Эйнштейна (которая описывает гравитацию). Замечательно, что вместе эти две теории представляют всю сумму физических знаний на фундаментальном уровне. Первая теория описывает мир очень малого — субатомный квантовый мир, где частицы исполняют свой фантастический танец, возникают из ничего и тут же пропадают снова и к тому же умудряются находиться в двух местах одновременно. Вторая теория описывает мир очень большого; ее интересуют такие предметы, как черные дыры и Большой взрыв; она пользуется языком гладких поверхностей, растянутого полотна и искаженного пространства. Эти теории во всем противоположны друг другу, они используют разную математику, разные аксиомы и разную физическую картину мира. При взгляде на них создается впечатление, что у природы две руки, совершенно не связанных друг с другом. Мало того, все попытки объединить обе теории не привели ни к каким разумным результатам. На протяжении полувека каждый физик, пытавшийся под дулом пистолета поженить квантовую теорию и общую теорию относительности, неожиданно для себя обнаруживал, что при любой попытке добиться своего теория разлетается в клочья и дает в ответ бесконечность, лишенную всякого смысла.

Все изменилось с появлением на сцене теории суперструн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.