Глава 15
Конец физики?

Стивен Хокинг любит говорить, что близок конец теоретической физики. На протяжении 1980-х годов он упоминал об этом так часто, что в профессиональных кругах это стало клише, тем более что в самом начале десятилетия он сделал его темой своей лекции на церемонии вступления в должность Лукасовского профессора. Прошло десять лет, конец физики ничуть не приблизился, однако Хокинг оптимизма не теряет и твердит свое. Но если теоретическую физику и вправду ждет «конец», о котором так уверенно говорит Хокинг, даже после этого физикам будет чем заняться.

В интервью журналу «Newsweek» в 1988 году Хокинг сказал, что после открытия теории всего «останется много работы», но тогда это для физиков будет «словно альпинизм после Эвереста». Другие космологи, в том числе Мартин Рис, предпочитают несколько иную аналогию. Они говорят, что выучить шахматные правила – это только первый шаг на длинном и интересном пути к титулу гроссмейстера. Долгожданная теория всего, говорят они, будет всего лишь эквивалентом шахматных правил для физики, а титул гроссмейстера так и останется далеко за горизонтом.

Ближайшая цель физики, Святой Грааль, до которого, по мнению Хокинга и многих других ученых, рукой подать, – это полная непротиворечивая единая теория, в которой все физические взаимодействия описываются одним набором уравнений. Чтобы понять, что это значит и насколько трудно найти такую теорию, нужно сначала рассмотреть современные представления об устройстве Вселенной – а для этого нам потребуются четыре разные теории, объясняющие разные свойства мироздания.

В XIX веке теорий требовалось только две, так что в этом смысле физика за последние сто лет стала сложнее. Ньютонова теория всемирного тяготения описывала силу, которая удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и заставляет яблоки падать с деревьев, а уравнения электромагнетизма Максвелла описывали поведение излучения, в том числе и света, и силы, действующие между электрически заряженными частицами либо магнитами.

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.

Теория струн зародилась в конце 1960-х, когда с ее помощью пытались описать сильное взаимодействие. Однако успех квантовой хромодинамики оттеснил раннюю версию теории струн на обочину, хотя некоторые математики иногда играли с ней, в основном из интереса к вычислениям, чем в надежде совершить прорыв нашем в понимании фундаментальных сил природы. К середине 1980-х двое ученых, Джоэль Шерк из Парижа и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института, нашли способ описать гравитацию при помощи теории струн. Но на это их коллеги, в сущности, ответили: «Да кому это нужно?» Тогда большинство исследователей гравитации были больше заинтересованы в супергравитации. Для описания сильного взаимодействия теория струн не требовалась, супергравитация представлялась перспективной, к чему тогда возиться со струнами?

Однако к теории струн стали относиться иначе, когда оказалось, что при помощи N = 8 чудовищно трудно проделывать какие бы то ни было вычисления. Даже без неудобных бесконечностей 154 типа частиц помимо гравитона и восьми гравитино не влезали ни в какие математические гроссбухи. По словам Хокинга, в начале 1980-х все считали, что даже у компьютера на один расчет уйдет четыре года, если он будет проверять все частицы, входящие в теорию, и нигде не затаится бесконечность, а вычислять без ошибок будет практически невозможно. Поэтому никто не был готов отказаться от научной карьеры ради какой-то одной выкладки.

Но главной причиной пробуждения интереса к теории струн в середине 1980-х стало понимание, что самые хорошие теории из этого семейства автоматически предполагают гравитон. При остальных попытках построить квантовую теорию гравитации ученые исходили из знания о предполагаемых свойствах гравитона и пытались построить теорию вокруг него, даже если для этого приходилось принять на борт еще 162 частицы. А теория струн позволяла работать с квантовыми уравнениями в общем виде и играть в математические игры – и оказалось, что замкнутые петли струн, описываемые некоторыми уравнениями, обладают именно теми свойствами, которые нужны, чтобы описать гравитацию: в сущности, они и есть гравитоны. Новая вариация на тему струн получила название «теории суперструн» – как же иначе. К 1988 году, когда вышла в свет «Краткая история времени», Хокинг с энтузиазмом поддерживал именно этот путь к суперунификации.

Но у теории суперструн были и недостатки. Во-первых, ученые до сих пор не вполне понимают, что означают ее уравнения. Как показывает пример гравитона, сначала должны появиться уравнения, а затем уже станет ясен их физический смысл, и существует много уравнений, физический смысл которых пока не известен. Это сильно отличается от великих физических открытий на протяжении первых двух третей ХХ века и, разумеется, на протяжении сотен лет со времени Ньютона. Например, Эйнштейн рассказывал, как в один прекрасный день сидел у себя на работе в Берне – и вдруг его осенила мысль, что человек, упавший с крыши, во время падения не будет ощущать силы тяжести. Это внезапное озарение по поводу природы гравитации непосредственно привело Эйнштейна к созданию ОТО: сначала физический смысл и лишь затем – уравнения. В точности то же самое произошло и с Ньютоном: он увидел, как с яблони падает яблоко, и в результате вывел закон всемирного тяготения – то есть разработал теорию гравитации.

Однако в последнее время наука, по крайней мере физика, по всей видимости, устроена иначе. Один из первопроходцев теории суперструн – Майкл Грин из Колледжа Королевы Марии в Лондоне. В 1986 году он опубликовал статью в «Scientific American», где показал, что в теории струн все начинается с деталей – мы пока дожидаемся внезапного озарения, которое подсказало бы нам общую логику теории. Например, появление гравитона с нулевой массой… словно бы случайно и даже загадочно, а хотелось бы, чтобы существование гравитонов естественно следовало из теории после того, как будут надежно сформулированы принципы унификации.

Есть у теории суперструн и другая странность, которая, похоже, не очень тревожит математиков, зато ясно показывает простым смертным, как далеко отстоят ее идеи от повседневной реальности. Лучшие версии теории суперструн – те, из уравнений которых естественным образом (пусть и загадочно) следует существование гравитона – работают с одной небольшой оговоркой: им нужно пространство-время из 26 измерений. А тогда, если суперструны и в самом деле описывают устройство Вселенной, где спрятаны остальные измерения?

Правда, математики избавляются от «лишних» измерений без особого труда. Для этого они проделывают фокус под названием «компактификация». Чтобы понять, что это такое, взглянем на привычные предметы из окружающего мира с разных расстояний. Когда ученые говорят о компактификации, то обычно предлагают нам представить себе садовый шланг. Вблизи видно, что шланг состоит из двумерного листа, обернутого вокруг третьего измерения. Но стоит отойти подальше и изучить шланг с почтительного расстояния, как он станет похож на одномерную линию. А если взглянуть на эту одномерную линию с торца, она станет и вовсе похожа на точку – объект нулевого измерения.

Возьмем немного другой пример: житейский опыт учит нас, что поверхность Земли далеко не гладкая, она вся в морщинках и складочках, которые мы называем горами и долинами, и они так высоки и глубоки, что в некоторых местах поверхность становится практически непроходимой. Однако с точки зрения астронавта, который смотрит из далекого космоса, поверхность Земли гладкая и правильная.

Может быть, именно поэтому мы и не воспринимаем остальные 22 пространственных измерения. Вероятно, они очень туго свернуты, и мы не видим неровностей. Насколько туго? Грубо говоря, сложная структура пространства стала бы очевидной лишь на масштабах меньше 10^–30 см (для сравнения: типичное ядро атома имеет в поперечнике около 10^–13 см, поэтому ядро примерно в сто миллионов миллиардов раз больше, чем узелки в структуре пространства. Отношение величины атомного ядра к величине узелка в сто тысяч раз больше, чем отношение величины вашего большого пальца к атомному ядру).

Математики объясняют подобную феноменальную компактификацию без малейшего труда, но она все-таки заставляет задаться интересным вопросом: почему двадцать два измерения так сильно свернуты, а остальные три измерения расширялись себе после Большого Взрыва как ни в чем не бывало. И вот что интересно: и знакомый нам закон всемирного тяготения, и уравнения электромагнетизма, которые открыл Максвелл, «действуют» только во вселенной, где есть три пространственных измерения плюс одно временное. Если бы, например, пространственных измерений было больше, планеты не могли бы вращаться вокруг своих звезд по стабильным орбитам. Достаточно было бы легчайшего возмущения – и планета либо упала бы на звезду и сгорела, либо улетела в дальний космос и замерзла. В сущности, как подчеркивает Хокинг, не было бы и стабильных звезд: любое скопление газа и пыли либо рассеялось бы, либо тут же схлопнулось в черную дыру.

Таким образом, законы физики, вероятно, подсказывают нам, что с какого бы количества измерений все ни начиналось, все измерения, кроме трех пространственных и одного временного, всегда оказываются нестабильными и компактифицируются. Более того, в последнее время некоторые исследования показывают, что коллапс «лишних» 22 измерений, вероятно, вызван той же самой движущей силой, которая запустила расширение остальных трех. Все это, разумеется, связано с идеей антропной космологии, о которой мы говорили в главе 13.

Вероятно, существуют и другие вселенные, другие пузырьки пространства-времени, где компактификация прошла немного иначе и осталось, к примеру, шесть-семь пространственных измерений (или только одно). Но поскольку в этих вселенных неподходящая обстановка для зарождения жизни, там некому ломать голову над природой физики. Если живые существа вроде нас могут существовать только во вселенной с тремя пространственными измерениями, стоит ли удивляться, что Вселенная, в которой мы живем, и вправду обладает тремя пространственными измерениями!

Насколько же близки научные исследования к ответу на главные вопросы о жизни и Вселенной? Неужели в XXI веке физикам-теоретикам будет нечем заняться?

В 1980 году в лекции по случаю вступления в должность Лукасовского профессора Хокинг предположил, что мы станем свидетелями конца физики, вероятно, «к концу столетия». Он имел в виду, что у физиков появится полная, последовательная единая теория физических взаимодействий, описывающая все наблюдаемые явления. Возможно, что-то вроде теории суперструн.

Хокинг признал, что физики и раньше несколько раз думали, что вот-вот получат ответы на все вопросы. Самый знаменитый такой момент в истории – конец XIX века, когда все думали, что теперь, когда закон Ньютона и уравнения Максвелла надежно подтверждены, дело за малым – осталось лишь уточнить детали, отшлифовать углы, расставить все точки над всеми научными i. И только все укрепились в этом мнении, как в физике произошло две революции подряд – квантовая теория и теория относительности – и все встало с ног на голову. Однако уже в конце 1920-х годов, всего через поколение, один из отцов квантовой механики Макс Борн утверждал, что уже через полгода у физиков-теоретиков не останется существенных задач. Из фундаментальных частиц тогда были известны только электрон и протон, и Борну казалось, что они досконально изучены. Но в начале 1930-х открыли нейтрон, а сегодня мы знаем, что и нейтрон, и протон состоят из других основополагающих частиц – из кварков.

Тем не менее, даже если относиться к оптимизму Хокинга образца 1980 года всерьез, это не значит, что после 2000 года физики останутся безработными. Как подчеркивал Хокинг во время лекции, законы физики, которыми так гордился Борн более шестидесяти лет назад, в принципе, полностью объясняют ход химических реакций, больше нам для этого ничего не нужно. А биологические процессы зависят от химии сложных молекул. Химия практически полностью зависит от свойств электронов, и в 1920-е годы Пол Дирак вывел квантовое уравнение, которое в точности описывает поведение электронов. Загвоздка в том, что это уравнение такое чудовищно сложное, что решить его на сегодня удалось только для самого простого атома (водорода), в котором один-единственный электрон вращается вокруг одного-единственного протона. Как сказал Хокинг в той же лекции:

Даже если бы у нас была самая настоящая единая теория, охватывающая все силы природы, описать с ее помощью поведение всей Вселенной было бы не в пример труднее, чем описать ваше поведение при помощи уравнения Дирака. Поэтому физикам-теоретикам будет чем заняться.

К 1988 году, когда вышла «Краткая история времени», Хокинг стал высказываться о неминуемом конце теоретической физики гораздо осторожнее. Он стал говорить не «когда мы откроем единую теорию», а «если». Более того, хотя в 1980 году казалось, что открытие единой теории к 2000 году стало бы прекрасным подарком к началу нового тысячелетия, этот рубеж отодвигается все дальше и дальше в будущее. Как мы уже говорили, физики обсуждают близкий конец физики уже лет двадцать, а если нажать, обычно говорят, что до близкого конца осталось еще лет двадцать – и с годами эта цифра не меняется! Новый век все ближе, и теперь даже самые оптимистичные физики прогнозируют, что единую теорию откроют не раньше 2020 года, а большинство просто не дает вовлекать себя в подобные разговоры.

Однако не исключено, что искать единую теорию нужно срочно. В конце той же лекции Хокинг сделал еще один прогноз – выдержавший проверку временем (по крайней мере, пока). Говоря о молниеносном развитии компьютеров, он заметил, что в ближайшем будущем компьютеры, «весьма вероятно, окончательно возьмут верх в теоретической физике». Пока что это не совсем так, но в 1980-е годы компьютеры развивались еще стремительнее, чем в 1970-е (скажем, мы пишем эти строки на компьютере куда более мощном, чем те, которыми пользовались целые математические факультеты в 1970-е годы). Однако и сегодня работу компьютеров направляют все-таки люди. Тем не менее без помощи компьютеров решить сложнейшие задачи вроде расчетов с участием двадцатишестимерных струн без компьютеров было бы попросту невозможно. Так что, пожалуй, шансов, что к концу ХХ века компьютеры научатся решать такие задачи без человеческого руководства, даже больше, чем шансов, что люди-ученые сформулируют наконец свою долгожданную теорию всего. Но самая пророческая фраза из Лукасовской лекции Хокинга могла бы, пожалуй, стать его последними словами, прекрасно подводящими итог его собственным представлениям о своем вкладе в науку: