Основной единицей измерения квантов энергии служит постоянная Планка (число, названное в честь великого физика Макса Планка, который столетие назад первым ввел представление о квантовании). До определенного момента мы можем искать все более мелкую деталь, со все возрастающей энергией используя кванты, связанные со все более короткими волнами. Но существует предел. Этот предел появляется, когда необходимый квант имеет такую концентрацию энергии, что сворачивается в черную дыру. Это происходит при достижении планковской длины, которая примерно в 1019 раз меньше протона; каждый квант с такой крошечной длиной волны несет в себе столько же энергии, сколько составляет энергия массы покоя 1019 протонов. Свету требуется примерно 10–43 секунд, чтобы преодолеть это расстояние, и это «планковское время» – кратчайший временной интервал, который может быть измерен. Поэтому даже пространство и время являются объектами квантовых эффектов. Тем не менее из-за слабости тяготения эти эффекты включаются в масштабах, значительно меньших обычных атомов, в то время как на типичных для мира атомов расстояниях управление берут на себя электрические силы. (Это последствие огромности нашего первого космического числа N.)
Некоторые физики-теоретики более склонны к домыслам, чем другие. Но даже самые дерзкие из них признают масштаб планковских величин как конечный предел. Мы не можем измерить расстояние меньшее, чем планковская длина; мы не можем разграничить два события (или решить, какое из них произошло первым), когда временной интервал между ними меньше планковского времени. Эти масштабы меньше атомов во столько же раз, во сколько сами атомы меньше звезд. В этом царстве нет никаких перспектив для непосредственных измерений: для них потребуются частицы с энергией в миллион миллиардов раз выше, чем можно получить в лаборатории.
Два великих «столпа науки» XX в. – это квантовая механика, действующая в микромире, и теория тяготения Эйнштейна, которая не включает квантовые понятия. У нас нет единой основы, чтобы согласовать и объединить эти теории. Этот недостаток не препятствует ни прогрессу земной науки, ни развитию астрономии, потому что большинство явлений связаны либо с квантовыми эффектами, либо с тяготением, но не с тем и другим сразу. Благодаря нашему огромному числу N тяготением можно пренебречь в микромире атомов или молекул, где важны квантовые эффекты. Квантовую неопределенность можно игнорировать в небесном царстве планет, звезд и галактик, где притяжение берет власть в свои руки. Но в самом начале квантовые вибрации могли потрясать всю Вселенную, и тяготение может быть важным в масштабе одного кванта. Это происходит в масштабах планковского времени, 10–43 секунды. Чтобы понять, что происходило в первые мгновения Большого взрыва, или выяснить структуру пространства и времени зоны сингулярности внутри черных дыр, нам нужно объединение квантовой теории и теории тяготения.
Обычное восприятие бессильно, когда речь идет о скоростях, приближающихся к скорости света, или о том, что происходит около черных дыр, в экстремальных условиях ранней Вселенной или в микромасштабах, близких к планковской длине. Тут мы должны отбросить наши уютные общепринятые представления о пространстве и времени: черные дыры могут появляться и исчезать; пространство-время в этих крошечных масштабах может иметь хаотичную, напоминающую пену, структуру без четко определенного направления течения времени. Флуктуации могут создавать новые области, которые развиваются в отдельные вселенные. Пространство может иметь нечто вроде решетчатой структуры или быть сотканным из узелков, как кольчуга. Время может стать таким, как пространство, поэтому в этом смысле нельзя говорить о начале времени.
Единственное место, где еще может существовать квантовая гравитация, – это центральная сингулярность внутри черной дыры, скрытая за горизонтом событий. Теорию, следствия из которой не проявляются нигде, кроме таких экзотических мест, трудно проверить. Чтобы принимать ее всерьез, она должна либо полностью встроиться в какую-либо всеохватывающую теорию, которую можно проверить разными способами, или должна восприниматься как единственная в своем роде, такая, к выводам из которой все неизбежно сводится.
Существует несколько подходов, но нет единого мнения по поводу того, какой из них является правильным. (Стивен Хокинг
[43] сейчас бьется об заклад, что в течение 20 лет появится всеобщая теория, хотя и признает, что ему пришлось платить, проиграв подобное пари, которое он заключал 20 лет назад!) Самым амбициозным и многообещающим подходом является, по всей видимости, теория суперструн, которая обходным манером идет прямиком к объединенной теории всех сил и в качестве дополнительного бонуса объясняет квантовую гравитацию.
СУПЕРСТРУНЫ
Как заявляют сторонники теории суперструн, она может соединить три силы, которые управляют микромиром, – электромагнетизм, ядерную силу и слабое взаимодействие, а также объяснить элементарные частицы (кварки, глюоны и т. д.). Существование тяготения – на самом деле основной компонент этой теории, а не дополнительное препятствие, с которым надо бороться. Ключевая идея состоит в том, что фундаментальные сущности нашей Вселенной – это не точки, а крошечные петли струн, при этом различные частицы внутри атомного ядра – это разные типы вибраций – разные гармоники – этих струн. Струны имеют масштаб планковской длины; другими словами, они на много порядков меньше тех размеров, которые мы можем исследовать. Более того, эти струны вибрируют не в привычном нам пространстве из 3+1 измерений, а в десятимерном пространстве.
Идея существования дополнительных измерений не нова. Еще в 1920-х гг. Теодор Калуца и Оскар Клейн пытались расширить теорию пространства-времени Эйнштейна, введя в нее электрические силы. Они стремились представить себе электрические поля и движение частиц, добавляя дополнительную структуру к каждой точке обычного пространства. Дополнительное измерение было «закручено» в крошечных масштабах и никак не проявляло себя для нас, так же как очень туго свернутый лист бумаги выглядит как существующая в одном измерении линия, хотя на самом деле является двумерным. Теория Калуца – Клейна столкнулась с трудностями, но само понятие дополнительных измерений позже с пафосом вернулось. В теории суперструн каждая «точка» обычного пространства – сложная геометрическая структура в шести измерениях, свернутая в масштабе планковской длины.
Все физические теории имеют уравнения и формулы, описывающие техническую сторону дела (но, к счастью, не ключевые идеи) и непонятные для неспециалистов. Но в целом математическая основа уже разработана и может быть «взята с полки» физиками. Например, геометрические понятия, которые Эйнштейн использовал в своей теории «искривленного пространства-времени», были разработаны еще в XIX в. То же самое можно сказать и о математическом языке, с помощью которого описывается квантовый мир. Но суперструны задают задачи, которые сбивают с толку математиков. Скажем, есть ли какая-то особая причина, по которой Вселенная в конце концов остановилась на четырех «развернутых» измерениях (время и три пространственных измерения), а не на каком-то другом числе? Природа нашего мира и силы, управляющие им, полностью зависят от того, как «запакованы» дополнительные измерения. Как это случилось и есть ли другие варианты того, как это могло быть?
