Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной, стр. 26

Лекция седьмая Теория всего

Создать полную единую теорию всего на свете с одной попытки было бы очень непросто. Поэтому мы продвигались вперед, создавая частные теории. Они описывают ограниченный диапазон явлений, пренебрегая другими эффектами или аппроксимируя их определенными величинами. Например, в химии мы можем рассчитать взаимодействия между атомами, не зная внутреннего строения атомного ядра. Однако в конечном итоге мы надеемся построить полную, непротиворечивую, единую теорию, включающую в себя все частные теории в виде приближений. Поиски такой теории называют «объединением физики».

На склоне лет Эйнштейн потратил много времени на безуспешные поиски единой теории, но тогда ее время еще не пришло: слишком мало было известно о ядерных силах. Более того, Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, хотя сыграл важную роль в ее развитии. Между тем принцип неопределенности, по-видимому, является фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому любая успешная единая теория непременно должна включать в себя этот принцип.

Принцип неопределенности, по-видимому, является фундаментальным свойством Вселенной, в которой мы живем. Поэтому любая успешная единая теория непременно должна включать в себя этот принцип.

В настоящее время перспективы создания такой теории выглядят намного реалистичнее, поскольку мы гораздо больше знаем о Вселенной. Но следует остерегаться излишней самонадеянности. Прежде мы уже питали ложные надежды. Например, в начале XX века считалось, что все можно объяснить в терминах свойств непрерывной материи, таких как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности положили конец этой точке зрения. В 1928 г. Макс Борн сказал группе посетителей Гёттингенского университета: «Физике в нашем современном понимании через полгода придет конец». Его уверенность основывалась на недавнем открытии Дирака, который вывел уравнение движения электрона. Предполагали, что аналогичное уравнение должно описывать поведение протона — второй из двух известных в то время частиц, и это будет концом теоретической физики. Однако открытие нейтрона и ядерных сил перевернуло устоявшиеся представления.

Говоря об этом, я все же верю, что у нас есть основания для осторожного оптимизма — возможно, наши поиски основных законов природы близки к завершению. На данный момент в нашем распоряжении имеется целый ряд частных теорий. У нас есть общая теория относительности, частная теория гравитации, а также частные теории слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Последние три могут быть объединены в так называемую теорию великого объединения. Этого недостаточно, поскольку она не включает в себя гравитацию. Основная трудность поиска теории, объединяющей гравитацию с остальными силами, заключается в том, что общая теория относительности — это классическая теория. То есть она не включает в себя квантовомеханический принцип неопределенности. С другой стороны, остальные частные теории во многом зависят от квантовой механики. Поэтому первым делом необходимо объединить общую теорию относительности с принципом неопределенности. Как было показано, это может привести к некоторым замечательным выводам, например о том, что черные дыры не так уж черны и что Вселенная полностью замкнута и не имеет границы. Проблема заключается в том, что принцип неопределенности означает, что даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары должны обладать бесконечной энергией. Значит, их гравитационное притяжение должно свернуть Вселенную до бесконечно малых размеров.

Я все же верю, что у нас есть основания для осторожного оптимизма — возможно, наши поиски основных законов природы близки к завершению.

Довольно похожие, по-видимому абсурдные, бесконечности встречаются и в других квантовых теориях. Однако в этих теориях бесконечности можно исключить с помощью процесса, называемого перенормировкой. Он включает корректировку масс частиц и сил взаимодействий в теории с использованием бесконечных величин. Хотя этот метод сомнителен с точки зрения математики, он, похоже, действительно работает на практике. Предсказания, сделанные с его помощью, согласуются с наблюдениями с чрезвычайно высокой степенью точности. Однако перенормировка имеет серьезный недостаток с точки зрения создания единой теории. При вычитании бесконечности из бесконечности можно получить любой желаемый результат. То есть эта теория не может предсказать фактические значения масс и сил взаимодействий. Их приходится подбирать в соответствии с наблюдениями. В случае общей теории относительности можно корректировать только две величины: силу гравитации и значение космологической постоянной. Но подгонки этих параметров недостаточно для того, чтобы избавиться от всех бесконечных величин. Таким образом, получается теория, предсказывающая, что некоторые величины, например кривизна пространства-времени, в действительности являются бесконечными, и в то же время наблюдения и измерения показывают, что они имеют конечные значения. В попытке справиться с этой проблемой в 1976 г. была предложена теория «супергравитации». По сути это была общая теория относительности с добавлением некоторых дополнительных элементарных частиц.

При вычитании бесконечности из бесконечности можно получить любой желаемый результат.

В общей теории относительности носителем силы гравитации можно считать частицу со спином 2, называемую «гравитон». Идея заключалась в добавлении других новых частиц со спинами 3/2, 1, 1/2 и 0. В некотором смысле все эти частицы можно было бы считать разными проявлениями одной и той же «суперчастицы». Виртуальные пары частица-античастица со спинами 1/2 и 3/2 должны иметь отрицательную энергию. Это позволило бы уравновесить положительную энергию виртуальных пар частиц со спинами 0, 1 и 2. Таким способом удалось бы исключить многие из возможных бесконечностей, но оставались подозрения, что некоторые бесконечности все же останутся. Впрочем, расчеты, способные прояснить, остались ли нескомпенсированные бесконечности, столь громоздки и сложны, что никто не был готов ими заниматься. Было подсчитано, что даже при использовании компьютера это займет не менее четырех лет. Высока вероятность того, что в расчетах будет допущена по меньшей мере одна ошибка, а может и больше. Чтобы убедиться в том, что получен правильный ответ, кто-то другой должен был повторить вычисления и получить тот же результат, а это казалось маловероятным.

(Вверху) Мировой лист струны представляет собой цилиндр или трубку.

(Внизу) Две струны могут соединиться в одну.

Из-за этой проблемы мнение ученых склонилось в пользу теорий струн. Основными объектами в этих теориях являются не элементарные частицы, занимающие одну точку в пространстве, а объекты, обладающие длиной и не имеющие других измерений, такие как бесконечно тонкие струны. В каждый момент времени частица занимает одну точку пространства. Таким образом, ее история может быть представлена в виде линии в пространстве-времени, которую называют «мировой линией». Струна