Представления о внешнем и внутреннем системе пространстве и движении

Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли (и не только) вокруг Солнца. Великим достижением Ньютона стало сознание того, что равномерное прямолинейное движение (движение как таковое) отнюдь не требует приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении без какого бы то ни было внешнего воздействия.

В отсутствие внешних воздействий тело непрерывно движется вперед благодаря инерции. Инерция – свойство вещества. Тяжелые предметы обладают большой инерцией; это означает, что их трудно привести в движение, однако если это произошло, то их трудно остановить. Шайба, пущенная по поверхности льда, движется почти как свободное тело. Благодаря инерции шайба сохраняет состояние движения с почти постоянной скоростью; при этом достаточно было придать шайбе начальный импульс, и нет необходимости в какой-либо «подталкивающей» силе. Однако, например, автомобиль испытывает столь сильное трение и сопротивление воздуха, что эти силы вскоре превзойдут его инерцию. В результате автомобиль останавливается, пройдя после выключения двигателя короткий отрезок пути.

Первый закон Ньютона в частности утверждал, что для поддержания равномерного прямолинейного движения не требуется силы или другого физического воздействия. Напротив, тело будет продолжать двигаться прямолинейно и равномерно до тех пор, пока что-либо не изменит характера его движения. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т.е. наличия силы.

Само движение Земли не требует объяснений; в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением. Механика Ньютона быстро получила признание, поскольку успешно описывала связь сил и движения. Однако механика Ньютона ничего не говорит о происхождении сил, вызывающих ускорение тел.

Как объяснить, например, вращение Земли вокруг своей оси (вращение – частный случай ускоренного, неравномерного движения), при котором возникают «центробежные эффекты», которые в свою очередь вызывают утолщение земного шара в районе экватора? Вследствие вращения Земли возникают «центробежные эффекты» (инерция как свойство вещества отбрасывает нас к внешнему ободу вращающейся карусели или прижимает к стенке вращающейся центрифуги; инерция разрывает слишком быстро вращающийся маховик, именно эта тенденция сбрасывать с себя вещество (ее иногда называют центробежной силой) приводит к утолщению Земли на экваторе). Тщательные измерения размеров Земли показывают, что ее диаметр по экватору на 43 км превышает расстояние между полюсами. Причина того, что вращение Земли вызывает ее утолщение на экваторе, кроется в существовании инерции. Утолщение на экваторе вращающейся Земли показывает, что вращается именно Земля, а не звезды. Ньютон утверждал, что вращение Земли имеет абсолютный характер.

Другими словами, это движение нельзя объяснить воздействием материальных тел. Если равномерное и прямолинейное движение мы объясняем свойством самих материальных тел – инерцией, а круговое движение Земли и других планет – гравитацией, то так как Земля вращается в абсолютном пространстве (пустом), представление об этом движении нельзя соотнести с материальными телами. Вращение Земли является причиной инерции Земли (центробежной силы), является точкой отсчета (началом) движения во Вселенной. Ньютон бросил вызов тем, кто сомневался в существовании абсолютного движения: «Явления, которые отличают абсолютное движение от относительного, обусловлены центробежными силами… В чисто круговом движении, имеющем относительный характер, таких сил не существует».

Ньютон относился к тем, кто придерживался представления о самостоятельном существовании пустоты, или вакуума. Противоположное представление высказал еще Аристотель, который провозгласил «природа не терпит пустоты», и который утверждал, что пустота есть «ничто» и потому не может существовать. Видимое пустое пространство между телами можно принять, лишь предположив, что оно непрерывно заполнено веществом – эфиром или еще чем-либо. Ньютон утверждал, что Земля вращается в абсолютном пространстве. Гравитация действует на расстоянии, через пустое пространство. Эту концепцию Ньютона высмеял его оппонент Готфрид Лейбниц, провозгласивший, что «не существует пространства без материи».

Почти современник Ньютона ирландский философ епископ Джордж Беркли не хотел согласиться с выводом Ньютона относительно абсолютного движения. Беркли считал, что любое абсолютное движение, которое только можно вообразить, в основе своей имеет не что иное, как относительное движение. Беркли обосновывал это тем, что представление о любом движении может иметь смысл, если только его относить к другим материальным телам. Важное представление Беркли состоит в том, что все движения можно описывать относительно «неподвижных звезд», другими словами наиболее далекое вещество во Вселенной может в определенном смысле служить стандартной системой отсчета. Сегодня мы знаем, что звезды в действительности не «закреплены», а сами движутся в галактике. Однако это движение едва заметно, поскольку звезды чрезвычайно удалены от нас.

Несмотря на успехи механики Ньютона, рассуждения Беркли сохранили силу и два века спустя получили отклик в работах австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838-1916), который не считал необходимым проводить принципиальное различие между равномерным и неравномерным движениями. Мах полагал, что ускоренные и инерциальные (равномерные) движения происходят одинаково. Ускоренные движения (например, вращение) чисто относительны (создаются инерцией или гравитацией). Ход рассуждений Маха прям до дерзости. Если вращение существует лишь относительно неподвижных звезд, то, утверждал Мах, испытываемые вращающимся телом центробежные силы должны создаваться звездами. Гипотеза Маха по существу означает не более и не менее как утверждение, что природа инерции коренится в глубинах Вселенной. Если принять подобное объяснение происхождения инерции, то можно отказаться от ньютоновского абсолютного пространства и рассматривать все движения как относительные. Именно эта линия рассуждений и составляет содержание так называемого принципа Маха, оказавшего удивительно сильное влияние на несколько поколений физиков. Этот принцип вызвал ряд резких критических оценок, в том числе со стороны В.И. Ленина¹¹².

Как объяснить природу инерционного влияния удаленных звезд на тело, находящееся на Земле или где-то во Вселенной? Ключ к решению этой проблемы лежит в полном сходстве центробежной и гравитационной сил. Близкое сходство центробежных и гравитационных сил хорошо понимали Галилей и Эйнштейн. Действительно, в основе общей теории относительности лежит так называемый принцип эквивалентности, согласно которому обе силы локально идентичны. Поэтому вполне естественно пытаться объяснить центробежные и другие инерционные силы на основе гравитационного поля Вселенной. Каким образом гравитация звезд могла бы создавать инерцию тел? Одна из возможных идей состоит в том, что вращающееся тело оказывает на звезды некоторое гравитационное влияние. Звезды, испытывая лишь слабое воздействие, создают собственный гравитационный эффект, действующий на вращающееся тело. Этот эффект порождает то, что мы называем центробежной силой, однако по существу это гравитационный эффект космического происхождения. Разумеется, из-за огромных расстояний вклад каждой звезды в центробежную силу чрезвычайно мал, но число звезд столь велико, что суммарный эффект может оказаться весьма значительным. Однако с этой простой картиной связана некая сложность, состоящая в том, что, согласно теории относительности, гравитационное возмущение не может распространяться быстрее света. Но даже с учетом этого понадобилось бы много миллионов лет, чтобы гравитационное «эхо» вращающихся тел вернулось обратно. Мы же знаем, что центробежные эффекты возникают мгновенно, как только тело начинает вращаться.

Эйнштейн полагал, что нашел способ преодолеть проблему временной задержки. Несколько странно, что схема Эйнштейна оказалась действенной только в случае искривленной Вселенной, причем пространственно замкнутой (в виде гиперсферы). Бесконечное, неограниченное пространство в этом случае не подходит. А модель математика и логика Курта Гёделя, нашедшая в 1949 г. решение уравнений Эйнштейна для гравитационного поля, описывает вращающуюся Вселенную. В этих примерах показано то, что физические теории существуют как умозрительные, логические возможности и не претендуют непременно на описание реальной Вселенной. Физические теории либо оказываются в рамках предыдущих теорий, либо выходят за рамки последних. В современной физике прослеживается тенденция к объединяющей теории.

Труды Маха, посвященные природе инерции и позднее обобщенные под названием «принцип Маха», являются одним из первых научных аргументов в пользу существования глубокой связи между структурой Вселенной в больших масштабах и локальной физикой.

Отправной точкой всей научной космологии послужила универсальность физических систем, присущее физической Вселенной всеобъемлющее единство формы. Физическая Вселенная состоит из огромного числа подобных друг другу или даже идентичных систем. В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое собрание галактик, а ее микроструктуру – как собрание атомов. В недрах строения вещества Вселенная представляет собой набор квантовых полей. Изучение звездного неба показывает, что звезды очень похожи на наше Солнце, а другие галактики напоминают наш Млечный Путь как по размерам, так и по структуре. Более детальный анализ свидетельствует, что удаленные тела состоят из тех же атомов, какие встречаются на Земле. «Земной» атом совершенно неотличим от атома на самом краю наблюдаемой (видимой) Вселенной. Физические процессы, происходящие в наиболее удаленных областях космоса, по-видимому, абсолютно идентичны процессам в ближнем космосе. При этом особенно важно, что сами взаимодействия оказываются универсальными. Например, силу электромагнитного взаимодействия в удаленных квазарах можно определять на основе тщательного изучения их оптических спектров. При этом не обнаруживается заметного различия с электромагнитными взаимодействиями, наблюдаемыми в лабораторных условиях.

По мере того как астрономы расширяли свои горизонты, охватывая все более обширные области Вселенной, они, как правило, обнаруживали почти одно и то же. Почему так должно быть, совсем не ясно. Ученые сформулировали эти представления в виде так называемого «космологического принципа», который, попросту говоря, утверждает, что ближний космос является типичным образцом Вселенной в целом. Это относится не только к атомам, звездам и галактикам, но и ко всей организации Вселенной, а также к распределению вещества и энергии. Вселенная чрезвычайно однородна относительно распределения галактик в пространстве как по удаленности, так и по направлению. Насколько можно судить, в космосе отсутствуют какие-либо выделенные области или направления. Более того, эта однородность сохраняется с течением времени по мере расширения Вселенной; скорость расширения одинакова для всех областей пространства и всех направлений. Таким образом, наука рисует картину однородной, самосогласованной и простой в больших масштабах Вселенной.

Мах обнаружил более глубокое космическое единство, чем то, на которое опирается классическая физика, это более глубокое космическое единство еще более тесным образом «сплетает» воедино ближайшую нам локальную часть мира со всей необъятной Вселенной. Идея связи большого и малого, глобального и локального обладает большой притягательной силой. Без сомнения, идеи Маха оказали глубокое влияние на молодого Эйнштейна в его попытках сформулировать общую теорию относительности. В письме, написанном в июне 1913 г. вслед за публикацией в предшествующем году книги Маха «Наука механики», Эйнштейн признавал, что многим обязан Маху.

В 1915 г. Эйнштейн опубликовал свою поистине эпохальную общую теорию относительности, которая разрушила представление о гравитации как о силе. Общая теория относительности уверенно провозгласила, что гравитация представляет собой геометрию искривленного пространства, которое описывается единой четырехмерной структурой, называемой «пространство-время».

Ньютоновская теория гравитации, остававшаяся незыблемой на протяжении более 200 лет, была повержена новой физикой, возникшей в первые десятилетия XX в. Специальная теория относительности (СТО) вступила в противоречие с теорией гравитации Ньютона. Согласно Ньютону, гравитационное взаимодействие между телами передается через пространство мгновенно, так что, если бы Солнце вдруг исчезло, траектория Земли тотчас же перестала бы искривляться, хотя мы продолжали бы видеть Солнце еще в течение 8 минут после его исчезновения – за это время солнечный свет достигает Земли. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна невозможно распространение физического сигнала со скоростью выше скорости света. Пытаясь расширить свою теорию так, чтобы включить в нее гравитацию, Эйнштейн создал (1915) общую теорию относительности (ОТО), которая не только вытеснила закон всемирного тяготения Ньютона, но и в корне изменила сами «идейные» основы нашего понимания гравитации. В теории Эйнштейна гравитация – это не сила, а проявление искривления пространства-времени. Тела вынуждены следовать по искривленным траекториям вовсе не потому, что на них действует гравитация, – просто они движутся кратчайшим, самым «быстрым», путем в искривленном пространстве-времени. По Эйнштейну гравитация обусловлена просто геометрией.

Теория Ньютона вполне адекватно описывает большинство астрономических систем, но не может объяснить, например, прецессию орбиты Меркурия. Прецессия орбиты Меркурия – небольшое вращение орбиты планеты Меркурия, которая имеет не вполне эллиптическую форму; прецессия орбиты Меркурия обусловлена гравитацией; если учесть гравитационное возмущение, вызванное воздействием других планет, то между предсказанной теорией Ньютона орбитой Меркурия и наблюдаемой сохранится небольшое расхождение – всего 43 угловые секунды в столетие. Это расхождение и не могла объяснить теория Ньютона. Прецессия орбиты Меркурия обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием Солнца. Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронных звезд или черных дыр, в гравитационных полях большой силы, а также даже в умеренных гравитационных полях (вблизи Солнца, например).

Гравитацию стали рассматривать не как силу, а как поле. Явление, о котором мы говорим как о движении материи, есть изменение кривизны пространства (искривления, деформации пространства). Подобные деформации (или искривления) непрерывным образом (периодически), точно волна, переходят из одной области пространства в другую.

Представление о поле было введено Фарадеем и Максвеллом как некая абстракция. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на электрические заряды. Вместе с тем, мы знаем, что это действие порождается другими электрическими зарядами. Почему бы нам не говорить просто о том, каким образом заряды взаимодействуют между собой через пространство, и не сформулировать все уравнения теории электричества, пользуясь только понятием зарядов? Ничего невозможного здесь действительно нет. Различие состоит лишь в том, что при этом получится громоздкая и сложная теория. Теория поля гораздо изящнее. Ее математический аппарат более гармоничен, взаимосвязан и более экономичен. И дает больше пищи для размышлений. Последнее обстоятельство очень важно. Изящная, продуманная в деталях, абстрактная теория часто подсказывает новые пути развития физики, которые просто невозможно было бы увидеть, придерживаясь моделей, основанных исключительно на конкретных наблюдаемых величинах. Понятие поля оказалось столь эффективным, что получило широкое распространение в физике.

Как понятие поле появилось в физике? Майкл Фарадей и другие физики установили, что электричество и магнетизм тесно связаны между собой и что одно порождает другое. Действие электрических и магнитных сил удобнее всего было описать, пользуясь понятием поля – невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты. В 50-х годах XIX в., Джеймс Клерк Максвелл, опираясь на эти факты, разработал теорию, связав электрическое и магнитное поля единой системой уравнений. Сначала Максвелл обнаружил, что эти уравнения «несбалансированны». Чтобы придать уравнениям более красивый и симметричный вид, он ввел дополнительный член. Его можно было бы интерпретировать как не замеченный ранее эффект – порождение магнетизма переменным электрическим полем, но оказалось, что такой эффект действительно существует.

Введение дополнительного члена в уравнения Максвелла (нахождение симметрии) повлекло за собой чрезвычайно глубокие последствия. Во-первых, это позволило соединить электрические и магнитное поля в единое электромагнитное поле, другими словами, Максвеллу удалось привести в своих уравнениях электрические и магнитные силы (взаимодействия) к гармонии (математической симметрии). Сила – это то, что действует на вещество или изменяет природу частиц. Симметрия – понятие, связанное с гармонией и соразмерностью форм. Симметрия служит ключом к пониманию взаимодействий (сил). «Симметрийная лихорадка» завладела умами физиков.

Так, среди решений уравнения Максвелла обнаружились различные синусоидальные функции (опять симметрия!), которые описывают периодические колебания, или волны. Эти электромагнитные волны, заключил Максвелл, самостоятельно распространяются в поле, т.е. в том, что кажется пустым пространством. Из своих уравнений он вывел формулу, выражающую скорость электромагнитных волн через электрические и магнитные величины. Подставляя численные значения, Максвелл получил, что скорость электромагнитных волн составляет около 300 000 км/с, т.е. совпадает со скоростью света. Отсюда последовал неизбежный вывод: свет должен представлять собой электромагнитную волну. Он действительно может распространяться в пустом пространстве, именно поэтому мы и видим Солнце.

Пойдя дальше, Максвелл предсказал также существование электромагнитных волн другой длины, и через несколько лет его предсказание подтвердилось: Генрих Герц открыл в лабораторных условиях радиоволны. Сегодня мы знаем, что гамма-, рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и СВЧ-излучения также представляют собой электромагнитные волны. Небольшая добавка, внесенная Максвеллом в уравнения (носящие ныне его имя) из соображений симметрии, принесла большие результаты. Открытие электромагнитных волн имело далеко идущие последствия, приведя к появлению радиотехники и в конечном счете к современной революции в электроники. Но оценить полностью все следствия, вытекающие из симметрии уравнений Максвелла, удалось лишь через пятьдесят лет.

На рубеже XX в. Анри Пуанкаре и Хендрик Лоренц исследовали математическую структуру уравнений Максвелла. Их особенно интересовали симметрии, скрытые в математических выражениях, симметрии, которые тогда еще не были известны. Оказалось, что знаменитый «дополнительный член», введенный Максвеллом в уравнения для восстановления равноправия электрического и магнитного полей, соответствует электромагнитному полю, обладающему богатой, но тонкой симметрией, которая выявляется лишь при тщательном математическом анализе. По-видимому, только Эйнштейн с его сверхъестественной интуицией мог предвидеть из физических соображений существование подобной симметрии.

Симметрия Лоренца-Пуанкаре аналогична по своему духу таким геометрическим симметриям, как вращения и отражения, но отличается от них в одном важном отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать пространство и время. Всегда считалось, что пространство – это пространство, а время – это время. То, что симметрию Лоренца-Пуанкаре входят оба компонента этой пары, было странно и неожиданно.

По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не только в одном пространстве. Это вращение затрагивает и время. Если к трем пространственным измерениям добавить одно временное, то получится четырехмерное пространство-время. Симметрия Лоренца-Пуанкаре – это своего рода вращение в пространстве-времени. В результате такого вращения часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот. То, что уравнения Максвелла симметричны относительно операции, связывающей воедино пространство и время, наводит на размышления.

Понадобился гений Эйнштейна, чтобы полностью осознать все следствия такой симметрии. Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они неразрывно связаны. Хитроумные «вращения» Лоренца и Пуанкаре – не просто абстрактная математика, они могут происходить в реальном мире, осуществляясь через движение. Когда наблюдатель движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно изменяются, причем симметрично, и это отражено в математических соотношениях, полученных Лоренцем и Пуанкаре. Ключ к причудливым пространственно-математическим преобразованиям лежит в скорости света и других электромагнитных волн, и величина этой скорости также следует непосредственно из уравнений Максвелла. Таким образом, существует глубокая взаимосвязь между распространением электромагнитных волн и структурой пространства и времени. Максвелл обнаружил, что в электромагнитном поле могут возникать волны (симметрии), распространяющиеся в пространстве. Эйнштейн установил, что волны могут зарождаться и в гравитационном поле.

Урок, преподнесенный работами Лоренца и Пуанкаре, состоит в том, что математическое исследование, в особенности на основе анализа симметрии, может стать источником выдающихся достижений в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно физически, они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику в наши дни продвигаться к пониманию мира. Помимо симметрий пространства или пространства-времени в физике существует много симметрий негеометрического характера (более абстрактные симметрии). Например, то, что физики называют калибровочными симметриями. В случае калибровочных симметрий изменение масштаба («калибровка») не влияет на процесс (процесс симметричен, одинаково протекает в первом и во втором масштабе). Рассмотрим, например, явление инфляции в экономике. Происходит изменение масштаба денег (реальная стоимость доллара падает), падает и благосостояние лиц с фиксированным доходом, но не падает благосостояние лиц, чей доход следует индексу цен. Можно сказать, что доход, «привязанный» к уровню цен (доход, который следует индексу цен), симметричен относительно инфляционных процессов.

Калибровочные симметрии – это симметрии негеометрического характера. В физике таких симметрий существует много. Например, сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами, как показывают эксперименты, не зависит от того, о каких частицах идет речь – протонах или нейтронах. Действительно, протоны и нейтроны удивительно похожи друг на друга. Их массы отличаются лишь на 0,1 %. У них одинаковые спины и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственно, чем они отличаются, – это наличием у протона электрического заряда. Заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Эта симметрия сильных ядерных взаимодействий относительно нейтронов или протонов получила название изотопической симметрии. Изотопами называются ядра, отличающиеся только числом нейтронов.

В сущности, цель науки – это поиск единства. Научный метод обязан своими значительными успехами способности ученых связывать разрозненные фрагменты знания в единую картину. Отыскивать связующее звено – одна из главных задач научного исследования. Выявление Ньютоном связи между гравитацией и движением планет ознаменовало собой рождение научной эры. Выявление связи между болезнетворными микробами и заболеваниями положило начало современной медицине как истинной науке. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомную теорию вещества. Обнаружение связи между массой и энергией проложило путь к ядерной энергии.

Всякий раз, когда ученым удается установить новые связи, расширяется понимание окружающего мира и возрастает наша власть над ним. Новые связи не просто объединяли наши познания – они указывали путь к ранее не известным явлениям. Связи – это одновременно и синтез знания, и стимул, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам. Фундаментальная физика всегда прокладывала путь к единству знания. Главный толчок столь существенному продвижению был дан исследованиями фундаментальных взаимодействий в природе. Физики различают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Еще в середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах нашего века Эйнштейн предпринимал систематические попытки объединить электромагнетизм с его теорией гравитации (общей теорией относительности). Но вскоре были открыты ядерные силы – сильное и слабое взаимодействия, и при любой попытке объединить силы природы приходилось считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями.

Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления природы в рамках единой описательной схемы. Более столетия назад Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм – тесно связанные явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об успехе этого описания можно судить по тому колоссальному влиянию, которое оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая Эйнштейном попытка создать единую теорию электромагнитного и гравитационного полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию единой теории поля произошло только в конце 60-х годов XX столетия, когда было показано, что математически электромагнетизм можно объединить с одной из ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку; наиболее эффективной из них было предсказание новой разновидности света, состоящего не из обычных фотонов, а из загадочных Z-частиц. В 1983 г. в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, расположенном в окрестностях Женевы, Z-частицы были, наконец, обнаружены – и единая теория поля получила блестящее подтверждение.

К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями еще один тип ядерных сил – сильное взаимодействие. Одновременно были получены и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории, в которой описания всех взаимодействий укладываются в единую схему.

Современная теория взаимодействий выросла из квантовой физики, согласно которой действие сил осуществляется путем обмена частицами. Поскольку все вещество также построено из частиц, квантовая физика обеспечивает единое описание сил и вещества. Действительно, природу сил (взаимодействий) невозможно отделить от микроскопической структуры материи: одни частицы взаимодействуют с другими (или сами с собой), обмениваясь некими третьими частицами. Следовательно, единая теория сил (взаимодействий) представляет собой и единую теорию материи. Ошеломляющий перечень субатомных частиц, обнаруженных экспериментаторами за последние пятьдесят лет, уже не выглядит бессмысленным нагромождением диковинных названий – частицы удается упорядочить в стройную схему.

Фундаментальным для этой программы объединения является понятие симметрии. По самой своей сути симметрия присутствует повсюду, где существуют связи между различными частями какого-либо объекта или системы. Если субатомные частицы с близкими свойствами сгруппировать в семейства, то возникающая при этом картина обнаруживает проявления глубоких симметрий. Математический анализ сил, ответственных за формирование материи, также выявляет наличие скрытых симметрий с тонкими свойствами. Опираясь на это, физики установили, что силы можно рассматривать просто как способ, которым в природе поддерживаются различные абстрактные симметрии.

Только постигнув взаимосвязь силовых полей, частиц и симметрий, физики сформулировали, вероятно, самую замечательную из известных гипотез: мы живем в одиннадцатимерной Вселенной. Согласно этой теории, трехмерный мир наших чувственных восприятий дополняется семью невидимыми пространственными измерениями, что и составляет вместе с временем одиннадцать измерений. Невидимые нам дополнительные семь измерений проявляются как силы, или взаимодействия. Например, электромагнитное взаимодействие в действительности представляет собой некое невидимое пространственное измерение. Геометрия семи дополнительных измерений отражает симметрии, присущие взаимодействиям. Из этой теории следует, что силовых полей вообще нет, а существует только свернутое определенным образом пустое одиннадцатимерное пространство-время. Мир, возможно, в большей или меньшей степени построен из ничего, наделенного структурой, а сила и вещество – лишь проявления пространства и времени. Если это так, то перед нами взаимосвязь глубочайшего значения.

На протяжении всей жизни Эйнштейн мечтал о создании единой теории поля, в которой все силы природы сливались бы воедино на основе чистой геометрии. Гравитация – это «белая ворона» среди других сил природы. Остальные взаимодействия имеют характер силовых полей, простирающихся в пространстве и времени, гравитация же сама представляет собой пространство и время. Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию, искривление пространства-времени. Это не что иное, как пустота, испытывающая возмущение. Геометрической природе гравитационного поля, по-видимому, присуща необычайная утонченность, но именно она создает серьезные трудности при любой попытке квантового описания. На протяжении десятилетий общая теория относительности Эйнштейна не поддавалась последовательной квантовой формулировке. Несмотря на то, что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке обмена гравитонами (частицами – переносчиками гравитационного взаимодействия) дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Камнем преткновения, как всегда, служат члены, возникающие в уравнениях всякий раз, когда встречаются замкнутые гравитационные петли.

Поискам теоретической схемы единого поля Эйнштейн посвятил большую часть своей жизни после создания общей теории относительности. Однако по иронии судьбы ближе всех к реализации мечты Эйнштейна подошел малоизвестный польский физик Теодор Калуца, который еще в 1921 г. заложил основы нового и неожиданного подхода к объединению физики, до сих пор поражающего воображение своей дерзостью.

Калуца был вдохновлен способностью геометрии описать гравитацию. Он задался целью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическую формулировку теории поля. Это следовало сделать, не нарушая «священных» уравнений теории электромагнетизма Максвелла. То, что удалось сделать Калуце, – классический пример проявления творческого воображения и физической интуиции. Калуца понимал, что теорию Максвелла невозможно сформулировать на языке чистой геометрии (в том смысле, как мы ее обычно понимаем), даже допуская наличие искривленного пространства. Он нашел удивительно простое решение, обобщив геометрию так, чтобы она «вместила в себя» теорию Максвелла. Чтобы выйти из затруднения, Калуца нашел весьма необычный, но вместе с тем неожиданно убедительный способ. Он смог показать, что электромагнетизм является своего рода «гравитацией», но необычной, а «гравитацией» в ненаблюдаемых измерениях пространства.

Калуца постулировал, что существует еще дополнительное пространственное измерение и общее число измерений пространства равно четырем, а всего пространство-время насчитывает пять измерений. Если принять это допущение, то, как показал польский физик, произойдет своего рода математическое чудо. Своей смелой гипотезой Калуца утверждал, что если мы расширим свое представление о мире до пяти измерений, то в нем будет существовать лишь единственное силовое поле – гравитация. То, что мы называем электромагнетизмом, есть всего лишь часть гравитационного поля, действующая в пятом дополнительном измерении пространства, которое мы не в состоянии наглядно представить. Теория Калуцы не только позволила соединить гравитацию и электромагнетизм в единой схеме, но и дала основанное на геометрии описание обоих силовых полей. Если принять точку зрения Калуцы, то вообще нет никаких сил, существует лишь геометрия искривленного пятимерного пространства, а частицы свободно «кочуют» по наделенной структурой пустоте. Теория Калуцы остается загадочной в том отношении, что столь важное четвертое измерение пространства вообще не воспринимается нами. Пространство, доступное нашему непосредственному восприятию, с полной очевидностью и неизменностью остается трехмерным. Если четвертое измерение пространства существует, то где же оно?

Существуют исследования, которые отнюдь не доказывают невозможность другого числа измерений пространства, а лишь говорят о том, что в мире с числом измерений, отличным от трех, физика была бы совершенно другой и, возможно, такой мир был бы значительно менее упорядочен по сравнению с тем, который мы реально воспринимаем. Например, от размерности пространства существенно зависит такое явление как распространение волн. Нетрудно показать, что в пространствах с четным числом измерений не могут распространяться «чистые» волны. За волной обязательно возникают возмущения, которые вызывают реверберацию. Именно поэтому четко сформированные сигналы нельзя передавать по двумерной поверхности (например, по резиновому покрытию). Анализируя этот вопрос, математик Г. Дж. Уитроу в 1955 г. пришел к выводу, что высшие формы жизни были бы невозможны в пространствах четной размерности, поскольку живым организмам для согласованных действий необходимы эффективная передача и обработка информации. Как совместить все это с теорией Калуцы, в которой вселенная имеет четыре пространственных измерения? Одна возможность состоит в том, чтобы рассматривать дополнительное, невидимое измерение исключительно как формальный математический прием, не имеющий физического смысла. Однако более привлекательная идея была высказана вскоре после публикации Калуцей первоначального варианта теории.

В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предложил блестящий по простоте ответ на вопрос о том, куда же исчезло пятое измерение Калуцы. Клейн предположил, что мы не замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором смысле «свернулось» до очень малых размеров. То, что мы обычно считаем точкой в трехмерном пространстве, в действительности является крохотной окружностью в четвертом пространственном измерении. Из каждой точки пространства в направлении ни вверх, ни вниз, ни вбок, ни куда-либо еще в воспринимаемом нами пространстве выходит небольшая «петелька». Мы не замечаем всех этих «петель» вследствие крайней малости их размеров. Ни вещество, ни поля (в виде волн) не могут неограниченно перемещаться в дополнительном измерении. Наличие пятого измерения допустимо, однако ничто не может ускользнуть из него сколько-нибудь далеко. Тем самым теория Калуцы-Клейна, увы, не оставляет никаких надежд фантастам использовать ее для сокращения пути в пространстве.

Клейн вычисли периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался равным 10^-32 см, т.е. в 10²⁰ раз меньше размера атомного ядра. Поэтому неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах, которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует представлять себе как нечто находящееся внутри атома.

Несмотря на ее неординарность, теория Калуцы-Клейна на протяжении более полувека оставалась по существу не более, чем математическим курьезом. С открытием в 30-е годы XX столетия слабых и сильных взаимодействий идеи объединения гравитации и электромагнетизма значительно потеряли свою привлекательность. Последовательная единая теория поля должна была включать в себя уже не две, а четыре силы. Очевидно, это нельзя было сделать, не достигнув глубокого понимания слабых и сильных взаимодействий. Благодаря свежему ветру, принесенному теориями Великого объединения (ТВО) и супергравитацией, в 70-х годах вспомнили старую теорию Калуцы-Клейна. В нее включили все известные на сегодня взаимодействия.

Как и в первоначальном варианте, взаимодействия вводятся в теории путем присоединения к пространству-времени дополнительных пространственных измерений. Однако, поскольку теперь надо дать пристанище взаимодействиям трех типов, приходится вводить несколько дополнительных измерений. Простой подсчет количества операций симметрии, входящих в ТВО, приводит к теории с семью дополнительными пространственными измерениями (так что их общее число достигает десяти); если же учесть время, то всего пространство-время насчитывает одиннадцать измерений. Таким образом, современные последователи теории Калуцы-Клейна постулируют одиннадцатимерную вселенную. При этом необходимо предполагать, что дополнительные семь измерений пространства каким-то образом свернуты в столь малых масштабах, что мы вообще не замечаем их. Одно дополнительное измерение можно свернуть лишь единственным способом, а именно в «окружность». Однако многомерные пространства можно свернуть (или компактифицировать) различными способами. Например, двумерную поверхность можно присоединить так, чтобы она образовывала либо поверхность сферы, либо поверхность тора (фигуры, имеющей формы бублика). Обе структуры замкнуты, их размеры могут быть предельно малыми; однако они существенно различаются своей топологией: у бублика есть дырка!

Когда же речь идет о семи измерениях, набор возможных топологий становится чрезвычайно большим. Какая из них верна? Один из наиболее привлекательных вариантов – это семимерный аналог сферы, то есть 7-сфера. Если невидимые измерения пространства действительно имеют такую форму, это означает, что каждая точка трехмерного пространства фактически представляет собой крохотный семимерный «гипершар». 7-сфера привлекла внимание математиков более полувека назад в связи с тем, что она обладает рядом уникальных геометрических свойств.

Сфера – в высшей степени симметричная фигура, причем 7-сфера обладает многими дополнительными симметриями, не свойственными обычной сфере. Именно с их помощью удается смоделировать основополагающие калибровочные симметрии силовых полей. Однако физикам понадобилось много времени, чтобы обнаружить эти поля, в частности по той причине, что симметрии иногда оказываются скрытыми или нарушенными. В теории Калуцы-Клейна такое нарушение симметрии достигается небольшой деформацией семимерной структуры, ее отклонением от идеальной сферичности. Слегка сплюснутая 7-сфера считается сейчас наиболее вероятной конфигурацией дополнительных компактифицированных измерений пространства.

Воскрешенная теория Калуцы-Клейна вдохновила теоретиков на переформулировку законов физики с учетом одиннадцати измерений. При этом возникла необходимость поиска причин спонтанной компактификации семи измерений. В поиске этих причин теоретики исходили из того, что физические системы всегда стремятся к состоянию с наименьшей энергией. Это наводит на мысль, что слегка сплюснутая 7-сфера в некотором смысле воплощает в себе конфигурацию пространства-времени с наименьшей энергией.

Для объяснения трехмерности непосредственно воспринимаемого нами пространства используется так называемый антропный принцип. Живые организмы имеют чрезвычайно тонкую организацию и их существование, по-видимому, критически зависит от единственно гармоничного сочетания взаимодействий, которые характерны для нашей Вселенной.

В современном варианте теории Калуцы-Клейна все силы природы, подобно гравитации, рассматриваются как проявление структуры пространства-времени. То, что мы обычно называем гравитацией, обусловлено кривизной четырехмерного пространства-времени, тогда как остальные силы обусловлены кривизной пространства более высокой размерности. Все силы природы выступают просто как проявление скрытой геометрии.

Есть глубокие основания предполагать, что вся Вселенная, включая, по-видимому, «твердое» вещество, воспринимаемое нашими органами чувств, – это всего лишь проявление извилистого ничто. Мир в конечном итоге окажется слепком абсолютной пустоты, самоорганизованным вакуумом. Кропотливая работа многих поколений астрономов, наносивших на карты звездного неба траектории небесных тел, привела в конечном счете к ньютоновской научной революции и объяснила движение небесных светил с помощью сил и полей. Теперь круг замыкается: поля и взаимодействия получают объяснение на языке геометрии. В теории Калуцы-Клейна частицы рассматриваются как возбуждения пространства с одиннадцатимерной геометрией.

Сами по себе красота и изящество теории не могут убедить физиков в ее истинности. Поэтому необходимо проникнуть «внутрь» 7-сферы и исследовать дополнительные измерения пространства. Согласно теории Калуцы-Клейна для этого требуется достичь энергий, эквивалентных 10¹⁹ масс протона. Это огромная величина – 10¹⁹ масс протона – носит название массы Планка, так как она была впервые введена Максом Планком, создателем квантовой теории. Лишь при таких невообразимо огромных энергиях удалось бы непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений пространства.

Эти обнадеживающие успехи в понимании фундаментальных взаимодействий, лежащих в основе физического мира, приводят к осознанию того, что наиболее существенные особенности наблюдаемой ныне структуры Вселенной были заложены в самые ранние космические эпохи, когда возраст Вселенной был много меньше секунды. Современные астрономы считают, что Вселенная возникла внезапно, в результате Большого взрыва – чудовищного катаклизма, когда температура и давление значительно превосходили их предельные значения, наблюдаемые во Вселенной в наши дни. В мгновение ока пространство заполнилось материей необычных форм, управляемых силами, которые с того времени остались навсегда подавленными. Именно тот первоначальный краткий миг бытия ознаменовался безраздельным господством суперсилы.

В самом начале Вселенная была безликим сгустком энергии, пребывала в состоянии с исключительно высокой степенью симметрии. Действительно, начальное состояние Вселенной вполне могло быть предельно простым. И только по мере быстрого расширения и охлаждения Вселенной из первородного горнила стала вырисовываться, застывая, знакомая структура окружающего нас мира. Одно за другим из суперсилы выделились четыре фундаментальных взаимодействия. Одна за другой частицы, из которых построено все вещество Вселенной, обретали свое нынешнее обличие. Тогда же, на той ранней стадии развития Вселенной сформировались галактики. Можно сказать, что высоко упорядоченная и тонко организованная Вселенная, которую мы наблюдаем сегодня, образовалась в результате «отвердевания» бесформенного однородного сгустка, рожденного Большим взрывом. Любая фундаментальная структура окружающего нас мира – это реликт, т.е. окаменелость начальной фазы. Чем примитивнее объект, тем древнее эпоха, в которую он выплавлялся в первородном горниле.

Чем был вызван Большой взрыв – всегда являлось величайшей космической тайной. До последнего времени на этот вопрос предлагались лишь метафизические ответы. В настоящее время стали вырисовываться первые наброски подлинно научного объяснения Большого взрыва, основанного на действии суперсилы. Согласно новейшим представлениям, переход Вселенной буквально из ничего в физическую реальность произошел самопроизвольно наподобие извержения. Даже пространство и время возникли только в момент Большого взрыва. Тайну этого «беспричинного» космического события хранит квантовая физика.

Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10^-32 с. Эта мгновенная ее упорядоченность включала переход от десяти пространственных измерений к трем, сохранившимся до настоящего времени. Именно в ту эпоху Вселенная могла оказаться запертой в «космической ловушке», что обеспечило генерацию из ничего огромных количеств энергии. Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает Вселенную.

Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе способна объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению. Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей окружающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие строго соответствуют правилам, вытекающим из законов природы. Их оппоненты отрицают это.

Еще совсем недавно – в середине 70-х годов – большинство ученых-космологов считали, что, хотя физика в состоянии объяснить эволюцию Вселенной, раз уж та возникла, но происхождение Вселенной лежит вне компетенции физики. Таким образом, все важные физические объекты, все вещество и энергию, а также их крупномасштабную структуру приходилось рассматривать как данные богом; их следовало вводить «самолично» как необъяснимые начальные условия. Благодаря бурному прогрессу в понимании Вселенной, достигнутому в последнее время, все эти особенности оказались следствиями законов физики. Начальные условия – в той мере, в какой это понятие имеет смысл с точки зрения квантовых представлений, – не оказывают влияния на последующее строение Вселенной. Таким образом, Вселенная – в большей мере продукт закономерности, нежели случая. Мы можем, наконец, представить себе Вселенную, лишенную чего бы то ни было сверхъестественного, Вселенную, которая целиком и полностью является результатом действия подвластных науке законов природы, и в то же время обладает единством и гармонией.