Однако из главы 2 мы узнали, что эти теории несовместимы друг с другом. Согласно уравнениям Максвелла, скорость света одинакова для всех наблюдателей, а ньютонова механика гласит, что измеряемая скорость света зависит от движения наблюдателя. Это несоответствие и стало одной из главных причин, побудивших Эйнштейна разработать сначала СТО, а затем и ОТО – усовершенствованную теорию гравитации, совместимую с уравнениями Максвелла. Но и ОТО, и теория Максвелла – это «классические» теории в самом буквальном смысле слова. То есть они рассматривают Вселенную как континуум. По классическим представлениям и пространство можно подразделять на сколь угодно маленькие измеряемые участки, и порции электромагнитной энергии могут быть сколь угодно малы.
А затем произошла квантовая революция, изменившая мировоззрение физиков. Они перестали считать Вселенную непрерывной и знают, что у порции электромагнитной энергии есть нижний предел величины – как и у промежутка времени и отрезка длины. Причиной квантовой революции стали открытия, касающиеся природы света, поэтому на место электромагнетизма в конце концов пришла новая теория – квантовая электродинамика, вместившая в себя лучшее, что дает нам теория Максвелла, в сочетании с новыми квантовыми законами.
Однако полностью квантовая электродинамика сформировалась лишь в 1940-е годы, а к этому времени на повестке дня стояли еще две «новые» силы. Обе они действуют лишь на очень малых расстояниях и лишь в пределах атомного ядра (вот почему в XIX веке, до открытия ядра, о них не подозревали). Одна называется «сильное взаимодействие» и скрепляет частицы в ядре, словно клей, другая – «слабое взаимодействие» (что логично, поскольку она слабее сильного взаимодействия) и отвечает за радиоактивный распад.
Во многих отношениях слабое взаимодействие напоминает электромагнитную силу. Опираясь на достижения квантовой электродинамики, физики в 1950-е и 1960-е годы разработали математическую теорию, которая описывала и слабое взаимодействие, и электромагнетизм одним набором уравнений. Это взаимодействие получило название электрослабого, и из такого объединения следовало одно существенное предсказание: со слабым взаимодействием должны ассоциироваться три типа частиц, которые вместе играют практически ту же роль, что фотон (частица света) в квантовой электродинамике. Но в отличие от фотона, эти частицы (так называемые W+, W– и Z0), согласно новой теории, должны обладать массой. И не просто любой, а очень даже определенной: у двух W-частиц масса должна быть примерно в девять раз больше массы протона, а у Z0 – в восемь раз больше массы протона. В 1983 году группа ученых, работавшая на ускорителе в ЦЕРНе под Женевой, обнаружила следы частиц именно с такими свойствами. Так что гипотеза об электрослабом взаимодействии получила экспериментальное подтверждение – и у физиков снова стало всего три теории, объясняющие устройство Вселенной.
Заручившись успехом, теоретики разработали теорию, похожую на квантовую электродинамику, чтобы описать сильное взаимодействие. Теперь мы знаем, что ядерные частицы (протоны и нейтроны) на самом деле состоят из фундаментальных сущностей, которые называются кварки. Кварки бывают разных видов, и физики по собственной прихоти дали им названия цветов – красные, зеленые и синие. Это, конечно, не значит, что кварки на самом деле красные, зеленые и синие – точно так же как коктейль «ржавый гвоздь» назван так не потому, что в нем содержится окисленное железо. Это просто названия. Но на этом капризы физиков не кончились: они и квантовую теорию, которая описывает взаимодействие кварков и отвечает за сильное взаимодействие, назвали «квантовой хромодинамикой» (от греческого слова, которое означает «цвет»). В наши дни есть несколько перспективных направлений, которые, вероятно, позволят создать единую теорию, объединяющую электрослабое взаимодействие и квантовую хромодинамику. Подобные наборы уравнений получили довольно пышное название «теорий великого объединения». Однако квантовая хромодинамика еще не получила таких надежных подтверждений, как электрослабая теория, а теории великого объединения как таковые лишь указывают на то, какую форму может принять будущая окончательная теория.
Хуже того, помпезность названия «теории великого объединения» подчеркивается еще и тем, что все попытки объединения вообще не учитывают гравитацию! Первая сила в природе, которую человек исследовал и хотя бы отчасти понял, при попытке загнать ее в квантовые рамки оказалась самой упрямой. А если теории великого объединения не охватывают гравитацию, мы имеем полное право сказать, перефразируя знаменитую фразу Хокинга о черных дырах, что великое объединение не такое уж и великое. Несмотря на то, что Хокингу удалось отчасти объединить квантовую механику и ОТО, когда он исследовал черные дыры и начало времен, гравитация и сегодня лучше всего описывается ОТО – классической теорией континуума.
До включения гравитации в «супер-единую теорию всего» (так, наверное, придется ее называть) «рукой подать» вот уже гораздо больше десяти лет. По логике вещей, стоит предположить, что сначала надо разработать квантовую теорию гравитации, а потом уже объединить ее с тремя остальными силами. А любая квантовая теория гравитации обязательно предполагает существование частиц-переносчиков гравитационного взаимодействия, что тоже напоминает фотоны и электромагнетизм (если вам интересно, то да, такие частицы есть и в квантовой хромодинамике, теории сильного взаимодействия, и называются они «глюоны», только их еще никому не удалось зарегистрировать). Физики даже заготовили название для гипотетических частиц гравитации – гравитоны. Но точно так же как «красный кварк» не значит, что он действительно красного цвета, так и то, что для частиц гравитации есть название, не значит, что их кто-то уже открыл или предложил удовлетворительную квантовую теорию гравитации.
В 1980 году, когда Хокинг читал лекцию на церемонии вступления в должность, интерес ученых привлекло целое семейство возможных теорий квантовой гравитации, получивших общее название «супергравитация). Одна версия теории супергравитации называется «N = 8», поскольку она не просто предсказывает существование одного типа гравитонов, но требует восьми дополнительных разновидностей частиц – гравитино (а заодно в ней есть еще 154 разновидности других пока не открытых частиц). Казалось бы, такой россыпи частиц как-то многовато для любимой теории, и так и есть, но супергравитация и в самом деле – большой шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками сформулировать квантовую теорию гравитации, для которых требовалось бесконечно много «новых» частиц. Более того, изо всех вариаций на тему супергравитации N = 8 – единственная теория, которая естественно вписывается в четыре измерения (три пространственных плюс время) и содержит конечное число частиц. Так что в 1980 году Хокинг, конечно, голосовал за нее как за теорию, у которой больше всех шансов на успех.
Но прошло еще несколько лет, и все изменилось. К середине 1980-х интерес к супергравитации смело настоящее цунами сторонников принципиально другой гипотезы – теории струн. Главная идея теории струн заключается в том, что сущности, которые мы привыкли считать точками (электроны и кварки), на самом деле линии – крошечные «струны». Струны и правда очень малы: чтобы обхватить протон по диаметру, нужно соединить 1020 струн в одну линию. Они могут быть открытыми, со свободными концами, и замкнутыми в петельки. Некоторые теоретики полагают, что колебания и взаимодействия струн могут объяснить многие особенности физического мира.
