Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Второе наступление на концепцию объединения сил началось в 1980-х гг. – посредством теории струн. Теория струн ловко обходит проблемы стандартной модели физики частиц, выдвигая гипотезу о том, что частицы не являются фундаментальными, а представляют собой режимы колебаний крохотных одномерных объектов, названных струнами. Увлечение теорией струн распространилось в сообществе физиков-теоретиков как лесной пожар. Теория опирается на очень точную математику и естественным образом объединяет гравитацию с тремя другими силами. Однако после десяти с лишним лет интенсивных исследований многие физики разочаровались в ней. Ее математика очень сложна и часто не проверяема, требует наличия у пространственно-временного континуума девяти измерений – на целых пять больше, чем нужно! В теории струн «скрытые» измерения реализуются лишь при невероятно высокой температуре – 10 32кельвинов или в невероятно маленьком масштабе – 10 –35м. Создавалось впечатление, что теория не проверяема [377].

Познакомимся с Лизой Рэндалл. В детстве она увлеклась математикой, поскольку любила точные ответы. Она была первой девушкой-капитаном математической команды своей школы – Стайвесант, Нью-Йорк – и одноклассницей видного теоретика струн Брайана Грина. В 18 лет она победила на конкурсе научных талантов памяти Вестингауза с проектом Гауссовых целых чисел. Получив докторскую степень в Гарварде, она перебралась на другой берег реки, в МТИ, где стала адъюнкт-профессором и восходящей звездой теоретической физики.

Лизу Рэндалл увлекает не только математика, но и музыка. В мире не так много опер, на создание которых вдохновила теоретическая физика. Представителя этого научного направления может воодушевить даже идея оперы-буфф, например «Эйнштейн на пляже» Филипа Гласса. Лиза Рэндалл пополнила этот скудный репертуар. «Гипермузыкальный пролог: проективная опера в семи планах» была написана испанским композитором Гектором Паррой на ее либретто.

Чтобы понять, что побудило Лизу Рэндалл творчески подойти к гравитации, вернемся к запутанной проблеме сингулярностей. Согласно общей теории относительности, каждая черная дыра содержит сингулярность, где искривление пространственно-временного континуума бесконечно [378]. Оказавшись внутри черной дыры, уравнения Эйнштейна «садятся в лужу» и предсказывают нечто бессмысленное с точки зрения физики. Стивен Хокинг доказал, что сингулярности – обязательный элемент черной дыры, и эффектно сформулировал проблему: общая теория относительности содержит зерна собственного разрушения.

Вариант выхода из тупика предлагает теория струн. Она возникла как следствие ряда проблем фундаментальной физики. Одна из проблем – объединение сил природы в одной схеме. «Гладкая» теория искривленного пространственно-временного континуума не согласуется с «зернистой» теорией субатомных частиц. Поиск квантовой гравитации десятилетиями приводил Эйнштейна в замешательство. Кроме того, успешная в целом Стандартная модель физики частиц имеет недостаток. У электронов в этой модели – нулевой размер, следовательно, они должны иметь бесконечную плотность вещества и бесконечную плотность заряда – еще один пример сингулярностей, словно нарушающих законы физики. Мы пока не можем объяснить, почему существует так много элементарных частиц с разными массами, материя преобладает над антиматерией, а темная материя и темная энергия являются двумя главными составляющими Вселенной [379].

Рэндалл знала, что теория струн в ходе исследований 1990-х гг. привела к открытию многообразия бран. Брана – сокращение от «мембрана» – это тело меньшей размерности в многомерном пространстве. Представьте лист бумаги, являющийся двумерным объектом в трехмерном пространстве. Муравьи, ползающие по листу бумаги, могут перемещаться только в двух измерениях: они не подозревают о третьем. Возможно даже существование другого листа бумаги, по которому ползают муравьи, не знающие о параллельной «вселенной» рядом с ними в третьем измерении. Подобным образом наша Вселенная может быть браной, трехмерным островом в океане пространства большей размерности. К бране привязаны частицы, но не гравитация, поскольку, согласно общей теории относительности, гравитация должна существовать в полной геометрии пространства. Рэндалл увидела в этом возможность объяснения удивительной слабости гравитации.

Несколько лет Рэндалл отвергала концепцию дополнительных измерений, но участвовала в мозговых штурмах на тему бран в МТИ вместе с Раманом Сандрумом из Бостонского университета. Разработанный ими математический аппарат описывал пару вселенных, четырехмерные браны, слабо разделенные пятимерным пространством. Ученые обнаружили, что пространство между бранами деформировано, причем деформация может увеличивать и уменьшать тела или силы между бранами. Следовательно, гравитация может быть такой же сильной, как и другие силы одной браны, но если мы находимся в другой бране, то ощущаем гравитацию как чрезвычайно слабую (илл. 63). Затем Рэндалл и Сандрума ошеломила догадка: пятое измерение может быть бесконечным, и мы об этом не догадаемся. До этого момента физики принимали устоявшуюся точку зрения теории струн: считалось, что дополнительные измерения скручены так туго, что никакой эксперимент не позволит провести испытания. В теории Рэндалл и Сандрума они могут наблюдаться в экспериментах на ускорителях частиц [380].