Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность [litres]

На протяжении всей жизни Уилер хотел понять наиболее фундаментальные компоненты космоса. Он менял свой подход несколько раз за карьеру, начав с частиц, затем перейдя к полям и геометрии, и, в конце концов, погрузившись в теорию информации. Он хотел понять и организационные принципы, движущие эти компоненты по определенным шаблонам. Интеграл по траекториям, основанный на принципе наименьшего действия, приложенном к квантовой физике, оказался подходящей идеей, но он рассматривал и другие. В конечном итоге он остановился на том, что ответ может дать «контур самовозбуждения»: симбиоз между разумными наблюдателями и тем, что они наблюдают, а именно, прошлым космоса. Неким образом, глядя на то, что происходило когда-то, мы организовали вселенную, извлекли из квантовой пены и сделали такой, какая она есть. Следовательно, с точки зрения Уилера, вопросы «Как возникает бытие?» и «Как возникает квант?» оказались сложным образом связаны.

Сегодня, когда мы превозносим Стандартную модель, мы признаем ее ограничения и хотим за них выйти. Одно из ее упущений просто зияет: она не включает темную материю и темную энергию, невидимые компоненты вселенной, теоретически найденные в последние годы жизни Уилера, но так и не идентифицированные. Темная материя – скрытый «клей», сохраняющий галактики нетронутыми и собирающий их в кластеры.

Вера Рубин, учившаяся в Корнелле в конце сороковых, слушавшая лекции Бете и Фейнмана, выяснила, что такой компонент необходим, еще в шестидесятых-семидесятых, когда вместе с Кентом Фордом изучала вращение галактик в институте Карнеги в Вашингтоне. Оценив несколько спиральных галактик, Рубин и Форд открыли, что звезды в их внешних областях вращаются вокруг центра намного быстрее, чем можно ожидать, если учитывать только видимую материю. Впоследствии в исследование включили больше галактического материала, и дальнейшие наблюдения подтвердили наличие во вселенной темной материи, но не помогли ее найти.

Темная энергия, неизвестное топливо ускоряющегося расширения космоса, является другой великой тайной науки. Как обнаружили две группы исследователей в конце девяностых, вселенная не просто расширяется после Большого взрыва, но скорость этого расширения постоянно растет. В 2011 году руководители этих групп – Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс – получили Нобелевскую премию по физике за данное открытие.

Никто не знает, что заставляет пространство расширяться со все возрастающей скоростью. Ученые не уверены, будет ли она увеличиваться, уменьшаться или останется прежней. Любопытно, но космологическая постоянная, отброшенная Альбертом Эйнштейном после того, как в 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что галактики убегают друг от друга, прекрасно соответствует схеме с учетом темной энергии.

В настоящий момент продолжаются исследования по обнаружению компонентов темной материи и темной энергии. Если ученые смогут определить составляющие того и другого, то им, вероятно, придется модифицировать Стандартную модель. «Кирпичиками» темной материи могут быть аксионы, гипотетические частицы, предложенные физиком Фрэнком Вильчеком, чтобы объяснить, почему сильное взаимодействие, в отличие от слабого, обладает инвариантностью заряд-пространство, и суперсимметричные компаньоны стандартных частиц. Определенные гипотетические расширения Стандартной модели, принятые, чтобы представить низкоэнергетические пределы теории суперструн, предсказывают последний вариант. Природа темной энергии еще сложнее, и заслуживающих доверия гипотез тут немного.

Другая загадка, оставшаяся со времен Фейнмана, Уилера и Девитта – почему гравитация столь нетипична? Почему она намного слабее, чем другие взаимодействия? Как можно описать ее математически последовательно, используя методы квантовой теории поля? Сейчас чаще всего пытаются ее решить, создав унифицированное описание всех взаимодействий, в рамках так называемой М-теории, обобщения теории струн, включающего вибрирующие энергетические мембраны наряду с различными конфигурациями струн (суперсимметричных и не суперсимметричных). Вместо точечных частиц ее фундаментальными частицами являются струны и мембраны масштаба планковской длины, взаимодействующие друг с другом различными способами. Математически достоверным все это выглядит только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями, и по меньшей мере шесть из них свернуты в похожие на крендели формы, именуемые «пространствами Калаби-Яу».