Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

С тех пор машины времени (или, более корректно, «замкнутые времениподобные кривые») образовали оживленный раздел физики, где десятками публикуются статьи с различными проектами, неизменно основанными на теории Эйнштейна. Однако понравилось это далеко не всем физикам. Хокингу, к примеру, идея путешествий во времени пришлась не по душе. Он насмешливо заметил, что, если бы путешествия во времени были возможны, у нас было бы не протолкнуться от туристов из будущего, а этого, согласитесь, не наблюдается. Если бы машины времени стали обычны, как автомобили, то писать историю было бы просто невозможно – ведь она менялась бы всякий раз, когда кто-нибудь поворачивал номерной диск своей машины времени. Хокинг заявил, что хочет сделать мир безопасным для историков. Однако в книге Теренса Уайта «Король былого и грядущего»[34] описано сообщество муравьев, которые подчиняются закону: «Все, что не запрещено, обязательно». Физики очень серьезно воспринимают этот закон, поэтому Хокингу пришлось постулировать «гипотезу защиты хронологии», запрещающую машины времени в приказном порядке. (Хокинг уже перестал пытаться доказывать эту свою гипотезу. Теперь он утверждает, что машина времени, хотя теоретически и возможна, практически нереализуема.)

Судя по всему, эти машины времени подчиняются тем самым физическим законам, которые нам известны в настоящий момент. Разумеется, фокус в том, чтобы получить каким-то образом доступ к необходимым для их реализации громадным энергиям (доступным только «достаточно развитым цивилизациям») и убедиться, что кротовина в самом деле стабильна по отношению к квантовым возмущениям и не склонна взрываться или захлопываться, как только вы в нее войдете.

Следует упомянуть также, что временны́е парадоксы (такие как убийство собственных родителей до своего рождения), возможно, удастся разрешить при помощи тех же машин времени. Поскольку теория Эйнштейна основана на гладких римановых поверхностях, мы не можем просто исчезнуть, если, проникнув в прошлое, создадим временной парадокс.

Существуют два возможных пути разрешения парадоксов, связанных с путешествиями во времени. Во-первых, если в реке времени возможны водовороты, то, может быть, входя в машину времени, мы просто необходимым образом дополняем прошлое. Это означает, что путешествия во времени возможны, но мы не в состоянии изменить прошлое, а можем лишь дополнить, завершить его. Изначально предопределено, что мы должны войти в машину времени и запустить движок. Такой точки зрения придерживается космолог из России Игорь Новиков: «Мы не может послать путешественника во времени в райский сад, чтобы он попросил Еву не срывать яблоко с известного дерева». Во-вторых, сама река времени может разделиться надвое, то есть может возникнуть параллельная вселенная. Так, если вы застрелите своих родителей до своего рождения, то получится, что вы застрелили людей, являющихся всего лишь генетическими копиями ваших родителей, но вовсе не вашими родителями в полном смысле слова. Ваши родители произвели вас на свет и сделали существование вашего тела возможным. Но затем вы совершили прыжок из одной вселенной в другую, и все временны́е парадоксы оказались разрешены.

Но больше всего по сердцу Эйнштейну была его единая теория поля. Эйнштейн говорил Хелен Дукас, что физики поймут, чем, собственно, он занимался лет, наверное, через сто. Он ошибался. Не прошло и 50 лет, а интерес к единой теории поля уже возродился. Поиски обобщения, которые физики когда-то осмеяли и сочли бесперспективными, сейчас представляются важными, а результат, кажется, дразняще маячит совсем рядом. Эта тема сегодня доминирует почти на любой встрече физиков-теоретиков.

После двух тысяч лет исследования свойств материи, с тех пор, когда Демокрит и другие греки задались вопросом о составе Вселенной, физика произвела на свет две конкурирующие теории, совершенно несовместимые между собой. Первая – это квантовая теория, которой нет равных при описании мира атомов и элементарных частиц. Вторая – общая теория относительности Эйнштейна, подарившая нам захватывающие дух теории черных дыр и расширяющейся Вселенной. Главный парадокс в том, что эти две теории – полные противоположности. Они исходят из разных начальных предположений, пользуются разной математикой и опираются на разные физические картины. Квантовая теория построена на дискретных пакетах энергии, называемых «квантами», и описывает танец элементарных частиц. А теория относительности основана на гладких поверхностях.

Ученые сегодня уже сформулировали самый прогрессивный вариант квантовой физики, который воплотился в так называемой Стандартной модели, объясняющей субатомные экспериментальные данные. В каком-то смысле это самая успешная теория в природе; она описывает свойства трех (электромагнитного, слабого и сильного ядерного) из четырех фундаментальных взаимодействий. Несмотря на успешность Стандартной модели, у нее есть две бросающиеся в глаза проблемы. Во-первых, она чрезвычайно некрасива; возможно, это одна из безобразнейших теорий, когда-либо предлагавшихся в науке. Теория просто связывает между собой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, причем связывает достаточно искусственно. Это как соединить при помощи скотча кита, муравьеда и жирафа и утверждать, что это высшее достижение природы, конечный продукт миллионов лет эволюции. При ближайшем рассмотрении Стандартная модель представляет собой путаный случайный набор элементарных частиц со странными бессмысленными названиями, такими как кварки, бозоны Хиггса, частицы Янга – Миллса, W-бозоны, глюоны и нейтрино. Хуже того, Стандартная модель вообще не упоминает о гравитации. Более того, если попытаться искусственно привязать гравитацию к Стандартной модели, выяснится, что теория сразу же рушится. Она начинает выдавать ерунду. На протяжении 50 лет все попытки связать квантовую теорию с теорией относительности оставались безрезультатными. А учитывая ее эстетические дефекты, можно заключить, что единственный довод в ее пользу – то, что она, безусловно, верна в пределах соответствующих экспериментальных данных. Очевидно, необходимо пойти дальше Стандартной модели и заново пересмотреть объединяющий подход Эйнштейна.

Теперь, через 50 лет, ведущим кандидатом на роль теории всего – теории, способной объединить квантовую теорию и общую теорию относительности, – является так называемая теория суперструн. Более того, это единственный претендент на эту роль, поскольку все конкурирующие теории уже отброшены. Физик Стивен Вайнберг сказал: «Теория струн стала нашим первым реальным кандидатом на роль окончательной теории». Вайнберг говорит, что все карты, по которым ориентировались древние моряки, указывали на существование легендарного Северного полюса, хотя прошло немало столетий, прежде чем Роберт Пири в 1909 г. наконец добрался до него. Аналогично все открытия в физике элементарных частиц указывают на существование «Северного полюса» Вселенной, то есть единой теории поля. Теория суперструн может вобрать в себя все лучшие черты квантовой теории и теории относительности удивительно простым способом. Теория суперструн основана на идее о том, что элементарные частицы можно рассматривать как ноты на колеблющейся струне. Если Эйнштейн сравнивал вещество с деревом из-за его путаных свойств и хаотичной на первый взгляд природы, то теория суперструн сводит материю к музыке. (Эйнштейну, который был превосходным скрипачом, это, вероятно, понравилось бы.)