До початку 1980-х рр. фізики буквально потонули в морі елементарних частинок. Кожен раз, розбиваючи атом на частини за допомогою потужного прискорювача частинок, вони, на превеликий подив, виявляли, що з розщепленого атома вилітають десятки нових частинок.
Такий стан справ настільки бентежило, що Роберт Оппенгеймер заявив: Нобелівську премію з фізики слід віддати тому фізику, який за рік не відкриє жодної нової частинки!
Енріко Фермі, в жаху від того, як нестримно плодяться елементарні частинки з грецькими буквами в назвах, сказав: «Якби я був в змозі запам'ятати назви всіх цих частинок, я став би ботаніком».
Лише після десятиліть копіткої роботи цей густонаселений зоопарк вдалося організувати хоч в якусь систему під назвою Стандартна модель. Мільярди доларів, тяжка праця тисяч інженерів і фізиків і 20 Нобелівських премій дозволили скласти мозаїку Стандартної моделі буквально по шматочках. Стандартна модель - теоретична конструкція у фізиці елементарних частинок, що описує електромагнітне. слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частинок. Стандартна модель не є теорією всього, так як не описує темну матерію. темну енергію і не включає в себе гравітацію.
Це воістину чудова теорія, відповідна, наскільки можна судити, всім експериментальним даним субатомной фізики.
Але Стандартна модель, незважаючи на експериментальний успіх, володіє одним дуже серйозним недоліком. Як каже Стівен Хокінг, «вона некрасива і досить довільна».
У ній принаймні 19 вільних параметрів (в тому числі маса частинки і сила її взаємодії з іншими частинками), 36 кварків і антикварків, ще три важливі субатомні частинки і їх античастинки і безліч інших субатомних частинок з дивними назвами, таких як глюони Янга- Міллза, бозони Хіггса. W-бозони і Z-частинки.
Гірше того, Стандартна модель нічого не говорить про гравітації. Важко повірити, що природа на самому первинному, базовому рівні може бути настільки заплутаною і надзвичайно неелегантно. Цю теорію міг би полюбити тільки людина, яка вклала в неї свою душу. Відсутність краси в Стандартної моделі виявилося досить, щоб фізики захотіли заново проаналізувати свої уявлення про природу. Щось тут було не так.
Якщо уважно розглянути розвиток фізики за останні кілька століть, виявиться, що одним з найважливіших досягнень останнього з них стало зведення всіх фундаментальних фізичних законів в дві великі теорії: квантову теорію (представлену Стандартною моделлю) і загальну теорію відносності Ейнштейна (яка описує гравітацію).
Чудово, що разом ці дві теорії представляють всю суму фізичних знань на фундаментальному рівні.
Перша теорія описує світ дуже малого - субатомний квантовий світ, де частки виконують свій фантастичний танець, виникають з нічого і тут же пропадають знову і до того ж примудряються знаходитися в двох місцях одночасно.
Друга теорія описує світ дуже великого; її цікавлять такі предмети, як чорні діри і Великий вибух; вона користується мовою гладких поверхонь, розтягнутого полотна і спотвореного простору.
Ці теорії в усьому протилежні одна одній, вони використовують різну математику, різні аксіоми і різну фізичну картину світу. При погляді на них створюється враження, що у природи дві руки, абсолютно не пов'язаних один з одним. Мало того, всі спроби об'єднати обидві теорії не привели ні до яких розумним результатами. Протягом півстоліття кожен фізик, який намагався під дулом пістолета одружити квантову теорію і загальну теорію відносності, несподівано для себе виявляв, що при будь-якій спробі домогтися свого теорія розлітається на шматки і дає у відповідь нескінченність, позбавлену будь-якого сенсу.
Все змінилося з появою на сцені теорії струн. яка стверджує, що електрон і інші субатомні частинки являють собою не що інше, як різні коливання струни, що працює приблизно як крихітна гумова стрічка.
Якщо смикнути за натягнуту гумку, вона буде вібрувати на різні лади - при цьому кожна нота відповідає конкретної субатомной частці. Таким чином, теорія суперструн пояснює існування сотень субатомних частинок, виявлених вченими за допомогою прискорювачів. Більш того, теорія Ейнштейна теж вкладається в цю теорію як прояв одного з найбільш низькочастотних коливань.
Теорію струн навіть звеличували як горезвісну «теорію всього», вислизають від Ейнштейна останні 30 років його життя.
Але у теорії струн є одна дуже дивна особливість: ці самі струни можуть коливатися тільки в просторі-часі певної розмірності - а саме в десятімерном. Якщо спробувати сформулювати теорію струн для іншого числа вимірів, нічого не вийде; математичний апарат просто розвалиться.
Зрозуміло, наш Всесвіт чотиривимірні (в ній три просторових вимірів і один часовий). Це означає, що інші шість вимірювань повинні бути якимось чином схлопнуться, або згорнуті, подібно п'ятого виміру Калуци.
Останнім часом фізики почали всерйоз замислюватися про те, щоб довести або, навпаки, спростувати існування цих вищих вимірів.
Можливо, найпростіший спосіб переконатися в їх існуванні - це знайти відхилення від ньютонівського закону всесвітнього тяжіння. Зі школи ми знаємо, що сила тяжіння Землі зменшується з відстанню. Якщо говорити більш точно, сила взаємного тяжіння зменшується пропорційно квадрату відстані, що розділяє об'єкти.
Але це вірно тільки тому, що ми живемо в тривимірному світі. (Уявіть собі сферу навколо Землі. Сила тяжіння Землі рівномірно розподіляється по площі цієї сфери, тому чим більше сфера, тим слабкіше сила тяжіння. Але площа поверхні сфери пропорційна квадрату її радіуса, тому і сила тяжіння, розподілена по поверхні сфери, повинна зменшуватися пропорційно квадрату радіусу.)
Але якби у Всесвіті було чотири просторових виміри, то сила тяжіння повинна була б зменшуватися пропорційно кубу відстані. Взагалі, якби всесвіт мав п просторових вимірів, гравітація в ній спадала б пропорційно (п - 1) -го степеня відстані.
Знаменитий закон Ньютона про те, що сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані, перевірений на астрономічних відстанях з великою точністю; саме тому ми можемо направляти космічні зонди з вражаючою точністю крізь щілини в кільцях Сатурна. Але до недавнього часу ніхто не перевіряв цей закон в лабораторії, на дуже малих відстанях.
Брайан Грін. фізик-теоретик, Професор Колумбійського університету, один з найбільш відомих фахівців в області теорії струн.
Головні тези вченого:
Теорія струн розроблена для того, щоб відповісти на питання, з чого зроблена матерія. Молекула складається з атомів, атоми - з електронів, нейтронів і протонів, протони - з кварків. Як російські матрьошки. Однак все це означає, що десь має бути неподільна частка, фінальна точка, яка вже не має структуру. Теорія струн говорить про те, що, можливо, це не частка. Усередині самої маленької точки може перебувати енергетична структура, яка вібрує, як струна, але виробляє не звук, а частку. Залежно від частоти, частинки виходять різні.
Струна настільки мала, що якби атом був розміром з Всесвіт, вона була б розміром з дерево. Ось чому емпірично теорію струн поки не можна підтвердити. Для тривимірного простору теорія струн не підходить. Але якщо вимірювань більше 10, вона стає несуперечливої. Можливо, ці вимірювання дуже малі, і їх не можна побачити неозброєним поглядом.
Є числа, які повністю описують наш Всесвіт. Це фундаментальні фізичні постійні: маси елементарних частинок, коефіцієнти електромагнітної взаємодії та інші. Якщо змінити будь-яке з цих чисел, світ просто перестане існувати. Можливо, ці постійні залежать від форми додаткових вимірів. Взаємодія вимірювань визначає взаємодію планет.
Спостереження показали, що Всесвіт, розширюючись, прискорюється, а не сповільнюється. Що розкидає галактики? Справа в тому, що весь простір заповнений паливом, темною енергією, яка штовхає їх один від одного. І це доведено. Скільки темної енергії потрібно, щоб подолати гравітацію? Її обсяг у числовому вираженні виглядає так: 128 нулів після коми, а в кінці число 138. Сьогодні це основне питання фізики. Звідки взялося таке число? Якщо Великих вибухів було багато, і кожна Всесвіт має свою кількість темної енергії, це просто означає, що в нашому Всесвіті її обсяг такий.
Наш Всесвіт ставатиме все більш розрідженій і непридатною для життя. Життя - це взагалі дуже проходить явище. Вона може зникнути в порожнечі часу і простору. Але якщо існують інші всесвіти, то в них є життя. Життя тут може загинути, але знову виникне в інших Всесвітів.
Всесвіти можуть зіткнутися, і це провокує коливання. Якщо ми знайдемо їх, це буде самий знаменний момент в історії, який доведе, що ми не одні. Але не можна перейти з однієї Всесвіту в іншу. Ми ж потрапимо за часів Великого вибуху.
За часів Ньютона існувала фізика, яку ти тримав в руці. Сьогодні ми далеко пішли від цього. Одного разу ми можемо зіткнутися з тим, що чогось в принципі не зможемо зрозуміти. Можливо, ми просто недостатньо розумні. Собаку можна навчити багато чому, але ви ніколи не зможете пояснити їй теорію відносності. Хоча, може бути, зараз який-небудь пес сидить і сміється з мене.