Екатерина Диппер - Теория Большого взрыва: гид по сериалу по версии Kuraj-Bambey

Первую из них Шелдон и Леонард обсуждали еще в пилотной серии.

Леонард: Мне по крайней мере не надо было изобретать 26 измерений, чтобы включить математику.

Шелдон: Я их не изобрел, они существуют!

Леонард: В каком пространстве?

Шелдон: Во всех! Вот в этом-то и суть, кстати.

С Леонардом трудно не согласиться. Дело в том, что сама струна, как объект, должна иметь некоторую протяженность, но наше трехмерное пространство уже слишком заполнено обычной материей, и для еще одной сущности в нем просто нет места. Поэтому теория струн с необходимостью приходит к выводу, что наша Вселенная не менее, чем четырехмерна, а, как оказывается, нормальную или, выражаясь научным языком, самосогласованную теорию струн невозможно построить менее чем в десятимерном пространстве.

Из этого вытекает одно неприятное следствие и одна проблема. Следствие состоит в том, что если пространство многомерно, никто не обязывал и саму струну иметь лишь одно измерение. В таком случае струна становится больше похожей на поверхность барабана, по крайней мере для тех, кто может представить себе семимерный барабан. С этим еще можно смириться, по крайней мере, физики просто переименовали струну в N-брану[33] и на этом успокоились. А вот настоящую проблему перед учеными может поставить любой, кто внимательно прочитал предыдущий абзац. Сформулировать ее можно примерно следующим образом: «А куда, черт бы их побрал, деваются ваши дополнительные измерения, и почему в повседневной жизни о них ни слуху, ни духу?»

Хитрые ученые и на этот вопрос нашли ответ. В этом случае они даже не стали изобретать велосипед, а просто подняли на свет старые идеи шведа Клейна о том, куда деть пятое пространственное измерение, получавшееся в теории его коллеги немца Калуцы. Ответ звучит достаточно просто, но чтобы осознать его, обычно требуется некоторое время. Клейн сказал, что дополнительные измерения просто замкнуты сами на себя, причем на очень коротких расстояниях. Для понимания сказанного чаще всего прибегают к аналогии с садовым шлангом. На больших расстояниях кажется, что шланг имеет только одно измерение — длину. При ближайшем рассмотрении оказывается, что у него есть еще и толщина, но она скрадывается тем, что шланг замкнут сам на себя на достаточно малом по сравнению с его длиной расстоянии. Со струнами происходит то же самое, только не в одном, а в нескольких измерениях. Получающиеся при этом картинки сами по себе очень красивы, а аналогом садового шланга являются так называемые пространства Калаби-Яу, причем каждой точке нашего привычного пространства соответствует нечто, изображенное на картинке (рис. 1). Но именно здесь нас и подстерегает самая основная «засада» современной струнной теории.

Рис. 1

Дело в том, что создать трехмерное пространство из десятимерного можно огромным количеством способов. Сейчас это количество оценивается числом с сотней, а может быть, и пятьюстами нулей. Вполне возможно, что количество таких способов бесконечно, а тогда свести весь наш мир к компактному струнному многообразию даже не получится, и теория становится вещью в себе — принципиально объясняя, как устроен наш мир, она не может ничего предсказать и даже быть экспериментально подтверждена. При этом в философии физики давно выработаны правила, какую теорию можно считать научной, и одно из них (так называемый критерий фальсифицируемости или критерий Поппера) гласит, что теория, принципиально не проверяемая практикой, не может считаться физической. Из-за вопроса, насколько этот критерий применим в случае струнной теории, перессорилось уже не одно поколение теоретиков. Одни считают, что критерий устарел, и теория сама по себе настолько хороша, что не может быть неправильной, другие — что Поппер ничего не говорил о том, что это убогое человечество не может поставить по-настоящему интересный эксперимент, например, взорвать сверхновую звезду поблизости от Солнечной системы, а третьи говорят, что сама идея струн — полная ерунда, и квантовать нужно не частицы, делая из них струны, а само пространство-время.

Собственно, эти третьи и создали новый модный тренд в физике частиц под названием петлевая квантовая гравитация. Сама мысль о том, что пространство не однородно, а, также, как и материя, состоит из собственных атомов, звучит достаточно интересно. Настолько, что вполне может оказаться правдой. В свое время так же лихо звучали и постулаты Эйнштейна, и принципы Бора. Самое интересное, что как и в идее со шлангом из теории струн, пространство кажется однородным на больших расстояниях, поэтому все предыдущие теории, такие как стандартная модель, получаются и из новой теории, но при этом она оказывается даже более квантовой, чем теория струн, ведь в данном случае квантуется само пространство!

Что же касается теории относительности, то искривления пространства трактуются в этом случае как разрывы или новые соединения этих атомов пространства. Как в случае с молекулами, разные соединения одних и тех же атомов способны дать и сажу, и алмаз, в случае петлевой квантовой гравитации различные связи атомов дают и наш относительно плоский мир, и изуродованное, почти вывернутое наизнанку пространство черной дыры. Кстати, именно вычисления одного из параметров черных дыр дали косвенное подтверждение идеи квантованного пространства.

Конечно, обе вышеописанные теории являются пока всего лишь гипотезами, даже косвенное подтверждение которых затруднено масштабом их отличий от существующих. Так, струны в одном случае и кванты пространства в другом имеют масштаб порядка 0,0000000000000000000000000000000016 см, в то же время типичная энергия, необходимая для их наблюдения, составляет 543,3 кВтч, что в 1000000000000000 раз превышает энергию, достижимую на самом мощном ускорителе. Поэтому выбор одной из теорий в настоящее время определяется скорее личным отношением к их создателям или собственным вкусом.

Шелдону больше нравятся суперструны, а Ли Смолину, популярные статьи которого всем интересующимся навязчиво рекомендуется прочитать, — дискретное, разбитое на мельчайшие составные части пространство.

Работы Леонарда отличаются большим разнообразием, чем математическое конструирование многомерных пространств у Шелдона. Или, быть может, он просто склонен больше разбрасываться. В любом случае, тут мы видим и работы с Бозе-Эйнштейновским конденсатом, и подтверждение эффекта Ааронова-Бома, и изучение мягкой составляющей космического излучения на уровне моря, и даже неудачную (бедный лифт!) попытку создания нового вида ракетного топлива. Но главное — это безуспешные попытки опровержения существующих взглядов на мир, в частности — отрицание наличия темной материи и работы с его любимыми лазерами.

Кстати, о последних: лазеры настолько прочно вошли в нашу жизнь, что многими воспринимаются, как совершенно обыденный предмет, впрочем, не лишенный доли магического очарования. Что-то среднее между мощным фонариком и световым мечом из «Звездных войн». Между тем, даже простейшая копеечная лазерная указка просто сбила бы с ног создателя классической электродинамики Джеймса Клерка Максвелла, не говоря уже о создателе волновой оптики Кристиане Гюйгенсе. Дело в том, что в рамках классических представлений о природе света, такой предмет, как лазер, просто не может существовать! Представьте себе этих вне всякого сомнения выдающихся ученых, живших на планете, когда им показывают светящийся карандаш со словами: «А вот тут у нас находится источник когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения». А пока Кристиан и Джеймс Клерк приходят в себя, попытаемся осознать смысл сказанных слов и понять, что их так потрясло, одновременно принеся двум нашим соотечественникам Нобелевскую премию по физике в 1964 году.

Итак, поставим себя на место Гюйгенса, уверенного, что свет распространяется волнами, и разберем каждый из сказанных терминов по отдельности:

• когерентность означает, что все волны в этом пучке имеют одинаковую фазу, то есть не набегают и не отстают друг от друга;

• монохроматичность ведет к тому, что волны оказываются точно одного цвета, без малейших отклонений;

• в отличие от волн в море, световые волны могут колебаться в разных пространственных направлениях, а поляризация как раз и говорит о том, что какое-то из этих направлений свет почему-то «считает» предпочтительным;

• узконаправленность является больше делом техники, тем не менее у лазера есть впечатляющее (по крайней мере для Гюйгенса) свойство самофокусироваться.