Первые теории объединения
Поиск глубинных симметрий и попытки объединения теорий – явление отнюдь не новое и восходит как минимум к Фалесу Милетскому, который жил две с половиной тысячи лет назад, а на самом деле, скорее всего, и к более древним временам. Вот что писал о первых «теориях всего» Фрэнсис Бэкон:
Фалес утверждал, что первоначало всего – вода… что воздух – это всего-навсего испарение и расширение воды – и, более того, что даже сам огонь невозможно ни разжечь, ни поддерживать и питать иначе как влагой и посредством влаги. Кроме того, он полагал, что набухание, которое свойственно влаге и поддерживает жизнь огня и пламени, судя по всему, своего рода продукт созревания воды.
Вселенная состоит не из воды. И не из земли, ветра или огня – эту идею выдвинул Гераклит. С другой стороны, поскольку все состоит из энергии, можно возразить, что Гераклит почти угадал – если вам угодно приравнять огонь к энергии – и тогда Теория Всего отчасти его заслуга.
Перескочим на несколько тысяч лет вперед. К тому времени, как на сцену вышел Эйнштейн, были известны лишь два взаимодействия – гравитация и электромагнетизм, – а Эйнштейн хотел всего-навсего объединить их в одну теорию. И он был не одинок.
Всего через три года после того, как Эйнштейн опубликовал окончательный вариант общей теории относительности, математик по имени Теодор Калуца разработал новый подход к взаимоотношениям между гравитацией и электромагнетизмом. Подход Калуцы, который дополнил и усовершенствовал Оскар Клейн в 1926 году, состоял в том, чтобы переписать уравнения общей теории относительности для пяти измерений (почему бы и нет?). При этом Калуцу и Клейна поджидал сюрприз: новые уравнения описывали общую теорию относительности во вселенной с тремя пространственными измерениями, и при этом из них прекрасно выводились уравнения электромагнетизма Максвелла.
Калуца и Клейн попытались объединить электромагнетизм и гравитацию, выдвинув гипотезу, что электромагнетизм прячется в свернувшемся измерении. Это отнюдь не бред, как может показаться на первый взгляд, просто для того, чтобы разобраться, что к чему, нужна определенная умственная сноровка.
Я тут много говорил об идее внутренних симметрий. Внутренние симметрии – это, в сущности, такие бухгалтерские программы, позволяющие выявить числа, которые невозможно непосредственно измерить и которые исчезают при вычислениях. Одна из внутренних симметрий – фазовая симметрия, обладающая, однако, совершенно уникальными свойствами. Если изменить фазу на 360 градусов, все останется по-прежнему. Это и есть определяющее свойство окружности.
Главная идея теории Калуцы-Клейна состоит в том, что симметрия, которую мы считали внутренней, это на самом деле внешняя симметрия – симметрия пространства-времени, в котором мы обитаем. Четвертое измерение пространства – это измерение Пак-Мана, где вечно петляешь и оказываешься там, откуда вышел.
Учитывая тогдашний уровень познаний о физическом мире, это был смелый подход. У него был только один недостаток – зато вопиющий: во вселенной, где мы живем, пространственных измерений не четыре, и в этом нам крупно повезло, в чем мы и убедились в Главе 4. Так может получиться – даже приблизительно – только в том случае, если четвертое пространственное измерение очень-очень мало, несравнимо меньше даже ядра атома.
В последние несколько десятилетий интерес к этой идее вспыхнул с новой силой. Скрытые измерения – кровь и плоть теории струн, в нынешних версиях которой пространственных измерений насчитывается уже десять плюс одно временное.
Теория Калуцы-Клейна в конечном итоге оказалась несостоятельной по целому ряду причин, однако самая очевидная из них заключается в том, что законы физики не ограничиваются только гравитацией и электромагнетизмом. Кроме того, в теории нет места ни квантовой механике, ни фотонам и гравитонам.
Нынешние поиски теорий Великого объединения – в каком-то смысле шаг назад от первых попыток их сформулировать. Гравитация в них вообще не входит. Главная их цель – объединить сильное и электрослабое взаимодействия.
Пока что особых успехов на этом поприще мы не добились. Однако никто не запрещает нам размышлять, какова могла бы быть теория Великого объединения, а главное – какие выводы мы сделали бы из нее.
