4. МРІЯ ЕЙНШТЕЙНА
Альберт Ейнштейн умер так і не здійснивши свою мрію - побудувати єдину теорію, що описує Всесвіт у цілому. Останні десятиліття життя він присвятив пошукам такої теорії, що пояснювала б усе - від елементарних часток і їхніх взаємодій до глобальної структури Всесвіту. Незважаючи на величезні зусилля, Ейнштейна осягла невдача, тому що для рішення цього завдання ще не прийшов час. Тоді ще практично нічого не було відомо ні про чорні й білі діри, ні про сингулярностях, Великому вибуху й ранньому Всесвіті, ні про кварки, калібровану інваріантність, слабких і сильних взаємодіях. Тепер ясно, що всі ці явища мають відношення до єдиної теорії, що така теорія повинна осягнути й пояснити їх. У якімсь відношенні сьогодні наше завдання набагато складніше, чим ті, котру поставив перед собою Ейнштейн. Але вчені - завзяті люди, і зараз їм удалося підійти майже впритул до бажаної й вабливої мети, зробити важливі відкриття.
Квантова теорія й теорія відносності - стовпи сучасної фізики. Одна описує мікрокосм, інша (загальна теорія відносності) - макрокосм, і обидві вони прекрасно справляються зі своїми функціями у відповідних областях. Коли відмовляє класична (ньютонова) теорія, коли вона більше не може давати відповідь на наші питання, на сцену виходять дві теорії, що дають правильні відповіді. Правда, розплачуватися доводиться втратою наочності. Якщо в класичній (ньютонової) теорії завжди можна було уявити собі, що відбувається, у нових теоріях це не так. Користуючись ними, ми змушені відмовлятися від миру відчуттів і приймати нові, дивні поняття.
Але раз класична теорія не годиться для опису мікро- і макрокосму, виникає природне запитання - чи не відмовляють при якихось умовах квантова теорія й теорія відносності? Ми вже бачили, що при більших швидкостях ньютонову теорію доводиться доповнювати теорією відносності. Точно так само для більших швидкостей довелося видозмінити й квантову теорію. Автором цієї нової теорії, що одержала назва релятивістської квантової механіки, став англійський фізик Поль Дирак.
Квантова теорія й загальна теорія відносності - зовсім різні теорії, що характеризуються різними «мовами». Здається навіть, що між ними немає ніякого зв'язку, нічого загального. Але чому дві теорії, чому немає однієї, котра описувала б і мікро- і макрокосм? Більше того, якщо згадати про чотир фундаментальні взаємодії, то виявиться новий аспект проблеми - гравітаційні взаємодії описуються загальною теорією відносності, а інші (електромагнітні, сильні й слабкі) розглядаються у квантовій теорії. Жодна теорія не охоплює всіх чотирьох полів. Крім того, залишаються труднощі з елементарними частками - незрозуміло, наприклад, яка зв'язок між двома фундаментальними сімействами, лептонів і кварків.
Ейнштейн мріяв про одну теорію, що охоплювала б всі явища, він мріяв про єдину теорію поля. Спочатку його наміру були досить скромні - він збирався лише об'єднати гравітаційне й електромагнітне поля, тобто побудувати одну теорію, що описувала б обоє ці поля. Він розраховував за допомогою такої теорії пояснити й природу елементарних часток. На жаль, йому це не вдалося. Грандіозної мети - створення теорії, що поєднує всього фізичного явища й переборює розрив між загальною теорією відносності й квантовою теорією, що дає просте і єдине тлумачення всіх полів і їхніх взаємодій з елементарними частками - Ейнштейн так і не досяг. Останні 30 років свого життя він віддав пошукам такої теорії; інші великі вчені - Гейзенберг, Еддингтон і Паули - також присвятили залишок днів досягненню цієї, очевидно, недосяжної мети.
А раптом ми просто женемося за жар-птицею? Та й чи існує вона взагалі? І що буде, коли ми її піймаємо? Адже тоді у всім Всесвіті не залишиться нічого незвіданого, що навряд чи прийде по вдачі більшості фізиків. Як отут не згадати роман Хеллера «Уловка-22» - з одного боку, ми б'ємося над створенням єдиної теорії, тому що така природа людини, а з іншого боку, якщо нам це вдасться, постраждає фізика, адже ні до чого буде прагнути.
Спробуємо розібратися в ситуації. Чи належна така теорія пояснювати геть усе? Як далеко взагалі простирається знання? Багато фізиків уважають такі «глобальні питання» наївними. На перший погляд питання «Що таке світло?» не ставиться до їхнього числа, однак відповісти на нього поки не вдається. Ми знаємо, як поводиться світло, і можемо описати його поводження зі значним ступенем точності, але що таке світло нам точно не відомо. Неясно навіть, що таке електрон, як, втім, і будь-яка інша частка. Можна тільки описати їхнє поводження за допомогою імовірнісних функцій.
Може зложитися враження, що існує нескінченна низка теорій, кожна наступна в якій досконаліше попередньої. Але хіба в дійсності існує такий нескінченний ряд теорій? Видимо, ні, оскільки квантовою механікою постулюється суперечний цьому принцип невизначеності. У міру того, як ми намагаємося розглянути усе більше дрібні об'єкти, збільшується «розмитість».
Чи означає це, що теперішні теорії - межа, що нам не переступити? Звичайно, ні, адже ми бачили раніше, що залишилася безліч питань, на які поки немає відповіді: взаємозв'язок чотирьох фундаментальних полів, зв'язок між квантовою теорією й загальною теорією відносності, взаємозв'язок лептонів і кварків, подальша доля Всесвіту... І це лише деякі з невирішених проблем. Відомо, що сучасні теорії прекрасно описують природу, але вони теж недосконалі, як і їхньої попередниці - вони теж відмовлять, якщо спробувати поширити їх на занадто широке коло явищ. Втім, умови, при яких вони можуть відмовити, досить далекі від сфери нашого досвіду й від того, що ми звикли вважати мікро- і макрокосмосом.
5. ТЕОРІЯ СУПЕРСТРУН
На початку 20 століття старі наукові положення були відкинуті - Альберт Ейнштейн опублікував загальну теорію відносності, у якій запропонував нові трактування простору, часу й гравітації.
Роботи Ейнштейна дали новий напрямок науковому пошуку, і багато фізиків задалися питанням - а може бути гравітація й електромагнетизм зв'язані?
В 1919 році маловідомий польський математик Теодор Калуца дав дуже дивну відповідь на це питання.
Він увів у математичне рівняння Ейнштейна додатковий вимір і одержав дуже несподіваний результат.
Виявилося, що при додаванні ще одного виміру в рівнянні Ейнштейна з'являється новий додатковий член.
І цей додатковий член являє собою ні що інше, як рівняння Максвелла, отримане в 1860-х роках і електромагнітна взаємодія, що описує.
Таким чином, Калуца виявив, що гравітація й електрика глибока зв'язані між собою й випливають одне з іншого. Але при одній умові - у нашім тривимірному просторі існують ще один якийсь додатковий простір.
Калуца припустив, що цей простір згорнутий, тому ми його не бачимо.
Коли Калуца відіслав свою статтю з розрахунками Альбертові Ейнштейну, але думка про те, що в нашім тривимірному світі можуть існувати ще якісь додаткові простори, виявилася надмірної навіть для Ейнштейна.
Тільки через два роки після одержання статті, всі гарненько перерахувавши й обміркувавши, Ейнштейн погодився з Калуцей.
Але, незважаючи на те, що ідея була прекрасної, наступний аналіз гіпотези Калуци показав, що вона суперечить експериментальними даними.
Найпростіше спроби включити в цю теорію електрон приводили до пророкування такого відношення маси електрона до його заряду, що істотно відрізнялося від реально обмірюваних значень.
Таким чином у той час способів розв'язати цю проблему не було, то більшість фізиків втратили інтерес до гіпотези Вселеної, запропонованої Калуцей.
Дійсно, у той час і так вистачало нових завдань - ішло становлення квантової механіки, і більшість фізиків було поглинене вивченням основних законів мікросвіту.
Теорія направляла експеримент, а експеримент підправляв теорію - бурхливий розвиток фізики елементарних часток тривало біля на півстоліття й вилилося в ядерну бомбу, атомні електростанції й атомні підводні човни.
Але до початку 1970-их були в основному закінчені розробки стандартної моделі фізики елементарних часток, до початку 1980-их - багато пророкувань одержали експериментальне підтвердження.
Було доведене споріднення трьох із чотирьох відомих видів взаємодій (сильне, слабке, електромагнітне, гравітаційне).
Як показали розрахунки, сильна, слабка й електромагнітна взаємодії в деякий момент існування Вселеної були одним видом і тільки пізніше, у міру остигання речовини Всесвіту, по родинному розійшлися.
У фізиків з'явилося почуття, що все в основному вужу відкрито, відповіді на більшість важливих питань уже отримані й залишилося доробити тільки деякі деталі й дріб'язки.
Однак, як це звичайно й буває, спереду замаячіла несподівана проблема. Виявилося, що дві найважливіші фізичні теорії (теорія відносності й квантова механіка), що багаторазово довели своя заможність на практиці, ніяк між собою не зістиковуються. Спроби вивести загальні рівняння для цих теорій приводили до безглуздого результату.
Довгий час фізики намагалися не зауважувати протиріччя цих двох сучасних фундаментальних теорій.
Дійсно, фізики, що вивчали мікроскопічні об'єкти, атоми і ядерні процеси, використовували тільки рівняння квантової механіки.
Фізики, що працювали з гігантськими й масивними об'єктами Всесвіту, що вивчали рух планет і світил, процеси, що відбуваються в зірках і т.п. - використовували рівняння теорії відносності.