Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Паркер Барри

Итак, много новых методов было испробовано для решения проблемы объединения. Для предварительного объединения электрослабого и сильного взаимодействий потребовалась новая группа теорий – теории великого объединения. Мы видели, как в теориях супергравитации и суперструн предпринимались попытки включить в объединение и тяготение. На то же нацелены и такие теории, как теория твисторов. Но пока никому успеха добиться не удалось.

Эпилог

Мечту Эйнштейна о создании единой теории Вселенной осуществить пока не удалось, но успехи последних нескольких лет показывают, что мы на верном пути. Конечно, вряд ли кто-то из учёных станет загадывать, когда придёт удача, но большинство из них уверено, что когда-нибудь

это случится.

Наша же цель отличается от той, которую поставил перед собой Эйнштейн. Всем ясно, что он опередил своё время; тогда ещё многое оставалось непонятным. Учёные не знали многих типов элементарных частиц, не знали о симметрии в природе, о калибровочных теориях и очень мало знали о Большом взрыве, с которого всё началось.

Эйнштейн глубоко верил в причинность и хотел построить строго причинную теорию. Он также пытался объединить только электромагнетизм и тяготение. Более того, он стремился к тому, чтобы характеристики частиц (тех немногих, которые были известны в его время) являлись решениями уравнений его новой теории и, что, пожалуй, самое важное, чтобы квантовая теория следовала из его теории в качестве первого приближения.

Теория, над которой бьются учёные сейчас, превосходит самую смелую мечту Эйнштейна. Они хотят построить теорию, которая объединяла бы квантовую механику и общую теорию относительности, охватывала бы все встречающиеся в природе силы и элементарные частицы. Короче говоря, они пытаются построить «теорию всего на свете». Она должна обладать математической красотой и в то же время быть достаточно простой. Мы видели, что на пути построения такой теории удалось добиться значительного прогресса. Основные подходы, очевидно, кроются в теориях, описывающих раннюю Вселенную. Тогда она могла быть гораздо проще, чем теперь. Возможно, в то время существовала лишь одна сила – «сверхсила», породившая все известные теперь силы и частицы.

Проблемы, стоящие на пути совершенствования новой теории, очевидно, не просты. Но поскольку учёным присуще неутолимое любопытство, они будут упорно двигаться дальше. Есть и ещё одна трудность – из-за введения странных новых частиц, струн, скрученного, растянутого и пеноподобного пространства-времени, 11 измерений и тому подобного строение Вселенной всё труднее понять и вообразить. Сильно мешают устоявшиеся представления, но учёные стараются от них избавляться. Их идеи проникают в области, которые раньше никто не затрагивал. Для прогресса нужны свежие, новаторские идеи.

Как ни странно, по мере того как Вселенная всё более удаляется от мира наших ощущений, становится очевидной заключённая в ней глубокая гармония. В ней обнаруживаются невиданные порядок и единство, и каждое последующее открытие демонстрирует новую гармонию, новый порядок, новое единство.

Представляется даже, что это единство распространяется и на саму жизнь. Стивен Хокинг проанализировал, что может произойти после «большого пшика» Вселенной (если, она замкнута). Он обнаружил, что после отскока и рождения новой Вселенной фундаментальные константы (например, масса и заряд электрона) изменятся. Сотрудник Кембриджского университета Брендон Картер развил идеи Хокинга и получил поразительные результаты. Картер показал, что при иных значениях фундаментальных констант жизнь во Вселенной не могла бы существовать. При незначительном их изменении в одну сторону не было бы гигантских звёзд, а без них откуда взялись бы все элементы? Изменись эти величины в другую сторону, и право на существование получили бы только маленькие красные звёзды, т.е. не было бы таких звёзд, как наше Солнце – основных кандидатов на роль хранителей жизни. Создаётся впечатление, что жизнь как бы настроена на современные значения фундаментальных констант. Стоит их немного изменить и жизни не станет.

О будущем

Теперь законно возникает вопрос: а как действовать дальше? В поисках учёным наверняка поможет сверхпроводящий суперколлайдер (когда его построят). На его сооружение потребуется более 10 лет,

но зато это будет самый большой и самый мощный из всех существующих ускорителей. На нём можно будет, например, наблюдать частицы Хиггса, а это стало бы дополнительной проверкой теории великого объединения. Для того чтобы послать пучок частиц по кругу, потребуется 10 тысяч сверхпроводящих магнитов, так что ускорителю потребуется большая территория. Скорее всего он разместится на обширной ровной площадке, возможно, в пустыне. Где его построят – пока неизвестно, за это право борются почти все штаты в США. [Теперь, похоже, уже не построят, хотя «борьбу за право» выиграл Техас. На стадии проектирования в 1987 году строительство оценивалось в 4,4 млрд долларов; когда начали копать, то калькуляция затрат возросла до 12 млрд зелёных и в 1993 году Конгресс США отказался финансировать эту затею. Тем не менее строители успели «освоить» два миллиарда ненаших денег. :) – E.G.A.]

Многие учёные рассматривают супергравитацию и суперструны как прорыв в будущее, как теории, которым предстоит доминировать в ближайшие несколько лет. Супергравитация – замечательная теория; она предсказывает многие частицы, которые сейчас считаются существующими, например кварки, но предполагает и наличие других, пока не найденных частиц, таких как селектрон и вино. Может быть, их удастся зарегистрировать на сверхпроводящем суперколлайдере. Теория суперструн предсказывает существование большинства наблюдаемых частиц. А вот что недавно сказал о ней Фриман Дайсон: «По моему мнению, супергравитация – единственное расширение теории Эйнштейна, которое не уменьшает, а увеличивает красоту и симметрию этой теории».

Благодаря теории великого объединения в последние годы удалось добиться успеха в ряде областей; недавно были зарегистрированы W– и Z– частицы, а также получены свидетельства существования кварков. Но это не решает всех проблем, так как некоторые предсказания теории до сих пор не подтверждены. Вот ряд примеров:

Согласно теории, протон должен распадаться через примерно 10³¹ лет, в то время как есть основания считать, что он живёт дольше. Нейтрино должны были бы иметь массу покоя и легко изменять свой тип. Пока это не подтверждено. Предсказывается существование магнитного монополя, который пока не обнаружен. Предсказывается существование частицы Хиггса – она тоже пока не найдена. Ни разу не удалось непосредственно наблюдать частицы, которые должны существовать согласно теориям великого объединения, например кварки и глюоны. (Правда, это нельзя считать недостатком, поскольку из теорий следует, что такие частицы принципиально ненаблюдаемы.)

Есть и ряд вопросов, относящихся ко Вселенной в целом, которые также требуют ответа:

Открыта Вселенная или замкнута? Как появилась Вселенная? Что было до Большого взрыва?

Последние данные показывают, что Вселенная находится на грани между открытым и закрытым состоянием, но полной уверенности пока нет. Второй вопрос до недавнего времени учёные просто игнорировали, полагая, что на него нет ответа, что это вне их компетенции. Однако с появлением инфляционной теории родилась надежда ответить и на него. Вселенная могла возникнуть из ничего – без колоссальных затрат энергии. Возможно, она в каком-то смысле самозародилась, а уж потом сама стала вырабатывать энергию. На третий же вопрос – о том, что было до Большого взрыва, сейчас ответить никак нельзя.

Новый Эйнштейн

А как бы отнёсся к нашим успехам Эйнштейн? Известно, что ему никогда не нравилась квантовая теория, хотя, как сказал один из создателей теории супергравитации Петер ван Нивенхузен, если бы Эйнштейн был знаком с антикоммутирующими числами (такими, для которых справедливо соотношение ab + ba = 0), он, возможно, и сам пришёл бы к супергравитации. Так что, может быть, эта теория ему и понравилась бы.