Как выглядел мир до теории струн
До появления теории струн физика основывалась на двух ключевых теориях – теории относительности и квантовой теории. Первая описывала макромир (галактики, звезды, планеты), вторая – микромир (атомы, протоны, нейтроны).
Макромир: путешествия во времени возможны
До XX века ученые думали, что мир управляется по законам Ньютона. Тот полагал пространство и время неизменными в любой точке Вселенной, а движение Земли вокруг Солнца объяснял тем, что наша планета притягивается к звезде силой тяжести. Но в 1905 году сотрудник бернского патентного бюро Альберт Эйнштейн перевернул представления о мироздании с ног на голову.
По Эйнштейну, нет никакого абсолютного пространства и времени, их характеристики зависят от конкретного наблюдателя. Более того, время в теории относительности – это четвертое измерение реальности. Ключевое значение тут имеет скорость света, равная 299 792 458 м/с. Чем быстрее мы движемся в пространстве, тем медленнее движемся во времени. На космическом корабле, который движется со скоростью света, весь Млечный Путь можно было бы пролететь за 50 лет, а на Земле за это время прошло бы 3 млн лет. Этот эффект наблюдается и на Земле, просто он невероятно мал. Перелетев всю Россию из конца в конец, вы выйдете из самолета на одну стомиллионную долю секунды моложе тех, кого вы покинули.
Кроме того, Эйнштейн переосмыслил гравитацию. Строго говоря, именно он и понял, что такое гравитация. Ньютон научился ее высчитывать, но не оставил описания того, что же она представляет собой. Как Солнце удерживает Землю на расстоянии 151 млн км? Эйнштейн предположил: пространство – гладкое, как батут или простыня, а все космические объекты «проминают» его. Солнце не прилагает никакой силы, оно своей массой растягивает окружающее пространство, как бы оставляя в нем вмятину, а Земля катается внутри этой вмятины. Луна вращается вокруг Земли по тому же принципу. Гравитация – не самостоятельная сила, а свойство пространства.
Микромир: кипящий бульон вероятностей
О том, что мир создан из мельчайших частиц, догадывались уже древние греки, они и придумали слово «атом», что означает «неделимый». В XX веке оказалось, что атомы все-таки делимые, и еще как. Они состоят из электронов, что вращаются вокруг атомного ядра, ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а те – из еще более мелких частиц, кварков.
Вращение электронов вокруг атомных ядер очень похоже на вращение планет вокруг Солнца, но аналогия эта обманчива: в микромире совсем другие законы. Прежде всего, физику-наблюдателю никогда не удастся поймать электрон. Если он точно измерит его скорость, то пострадает точность местоположения электрона; если удается уточнить местоположение, то неточной окажется скорость. Можно лишь описать вероятное положение электрона. С точки зрения привычной нам реальности это очень странно. Мы ведь точно знаем, что можем рассчитать, допустим, траекторию пули, зная ее скорость, направление и прочие характеристики. Если другой человек корректно пересчитает наши расчеты с теми же данными, результаты совпадут. Но в микромире мы можем рассчитать лишь вероятность траектории электрона, и у двух наблюдателей она всегда будет разной. Следует допустить, что элементарная частица находится не в одной конкретной точке, а одновременно где-то еще (физики так и сделали). Так что если бы мы взглянули на ядро атома, оно меньше всего походило бы на планету, вокруг которой степенно вращается спутник-электрон. Скорее, ядро предстало бы перед нами в туманной дымке: этот туман создавался бы мельканием неуловимых электронов.
Это чрезвычайно беспокоило Эйнштейна: он не признавал мира, в котором ключевую роль играет вероятность. Его знаменитая фраза «Бог не играет в кости» связана именно с отрицанием роли вероятности. Но именно по таким правилам живет микромир. Кстати, в нем теория относительности не работает: пространство атомов вовсе не гладкое, а кипящее благодаря постоянному возникновению, столкновению и исчезновению частиц. Поскольку они наделены энергией и массой, они искривляют пространство, заставляя его бурлить.
В масштабе привычного нам мира все эти микроскопические бурления, конечно, сглаживаются, и мы их не чувствуем. Но стоит помнить о том, что хаотические перемещения частиц ежесекундно создают триллионы вероятностей. В обычном, ньютоновском, мире мы не можем проходить сквозь стены. А вот законы квантовой физики гласят, что в поведении каждой составляющей наше тело частицы заложена вероятность того, что однажды эта частица может пройти сквозь стену.
Стандартная модель
Чем глубже физики проникали в мир элементарных частиц, тем более разнообразным он оказывался. На сегодня выделено 17 частиц, которые считаются фундаментальными. Они делятся на три типа:
▶ кварки (верхний, нижний и др.);
▶ лептоны (электрон, мюон, тау нейтрино и др.);
▶ бозоны (глюон, фотон и др.).
Все частицы связаны тремя фундаментальными взаимодействиями – сильным, слабым ядерными взаимодействиями и электромагнитным (есть еще четвертое, гравитационное, но его мы в этой модели не найдем, о чем ниже).
Эти 17 частиц – ключевые ингредиенты Вселенной. Они объединены физиками в так называемую Стандартную модель, которую описывает квантовая теория поля. Эта теория чрезвычайно влиятельна: почти все предсказания Стандартной модели о свойствах микромира подтвердились с точностью до одной миллиардной – от одной миллиардной доли метра – это предел возможностей нынешней техники. И все-таки Стандартная модель не смогла стать теорией всего.
▶ Она никак не объясняет проблему массы. В самом деле, почему элементарным частицам свойственны такие масса и заряд, какие у них есть? Почему, скажем, электрон в 1836 раз легче протона?
▶ Она игнорирует гравитацию, а ведь это четвертое фундаментальное взаимодействие. Вообще, именно гравитация оказалась главным камнем преткновения для тех, кто хочет создать стройную модель реальности. Теория относительности, как мы помним, объясняет гравитацию искривлением пространства. А в квантовой теории все силы возникают благодаря обмену между частицами. Если эти теории объединять, то должна существовать еще одна, 18-я, частица – переносчик гравитации – гравитон. Если бы он в самом деле существовал и был бы таким же крошечным точечным объектом, как прочие кварки и бозоны, то порождал бы чрезвычайно мощное силовое поле, создающее мириады вторичных гравитонов – до бесконечности.
