Квантовый мир физиков XX – XXI веков
В книге «Элегантная вселенная» Брайан Грин сжато описал историю развития исследований материи на квантовом уровне. Приводим цитату из этой книги (выделения наши):
«Древние греки предположили, что вещество Вселенной состоит из мельчайших «неделимых» частиц, которые они назвали атомами. Они высказали гипотезу, что точно так же, как в языках алфавитного типа огромное количество слов строится путём комбинации небольшого числа букв, так и огромное разнообразие материальных объектов может быть результатом комбинации небольшого числа различных элементарных строительных блоков. Это было гениальным предвидением. Спустя более 2000 лет мы продолжаем считать его верным, хотя представления о сущности этих фундаментальных строительных блоков неоднократно подвергались пересмотру. В XIX в. учёные показали, что многие обычные вещества, например, кислород и углерод, состоят из мельчайших компонентов, которые, следуя традиции, идущей от греков, были названы атомами. Название сохранилось, но время показало, что оно было неправильным, поскольку атомы определённо являются «делимыми». К началу 1930‑х гг. совместными усилиями Дж.Дж.Томсона, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора и Джеймса Чедвика была разработана известная большинству из нас модель строения атома, похожая на солнечную систему. Атомы, которые являются далеко не самыми элементарными частицами материи, состоят из ядра (содержащего протоны и нейтроны), окружённого роем движущихся по орбитам электронов.
В течение некоторого времени многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются «атомами» в том смысле, который вкладывали в это слово древние греки. Однако эксперименты, проведённые в 1968 г. на Стэнфордском линейном ускорителе и использовавшие возросшую мощь технологий для изучения глубин микромира, продемонстрировали, что ни протоны, ни нейтроны не являются фундаментальными. Эти эксперименты показали, что они состоят из трёх частиц меньшего размера, названных кварками. Это вымышленное название было заимствовано теоретиком Мюрреем Гелл‑Манном, предсказавшим существование кварков, из произведения ирландского писателя Джеймса Джойса Поминки по Финнегану. Экспериментаторы установили, что сами кварки делятся на два типа, которые несколько менее изысканно были названы и‑кварками и d‑кварками. Протон состоит из двух и‑кварков и одного d‑кварка, а нейтрон — из двух d‑кварков и одного и‑кварка.
Всё, что мы видим на Земле и в небесах, по‑видимому, состоит из комбинаций электронов, и‑кварков и d‑кварков. Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая‑либо из этих трёх частиц состоит из элементов меньшего размера. Однако имеется масса данных, свидетельствующих о том, что Вселенная содержит дополнительные компоненты. В середине 1950‑х гг. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн получили решающее экспериментальное доказательство существования четвёртого типа фундаментальных частиц, названных нейтрино. Существование этих частиц было предсказано в начале 1930‑х гг. Вольфгангом Паули. Нейтрино оказалось очень трудно обнаружить: это частица‑призрак, которая чрезвычайно редко взаимодействует с другими видами материн. Нейтрино средней по величине энергии легко проникает сквозь многие триллионы миль свинца, которые не оказывают ни малейшего влияния на его движение. Эта информация должна принести вам значительное облегчение, поскольку прямо сейчас, когда вы читаете эту книгу, миллиарды нейтрино, испущенных Солнцем, проходят через ваше тело и через Землю в ходе долгих скитаний по космическому пространству. В конце 1930‑х гг. физики, исследующие космические лучи (потоки частиц, которые бомбардируют Землю из космоса), открыли ещё одну частицу, названную мюоном. Эта частица идентична электрону, за исключением того, что она примерно в 200 раз тяжелее. Поскольку в мироздании не было ничего — ни нерешенных загадок, ни пустующих ниш, — что требовало бы существования мюона, нобелевский лауреат, специалист по физике элементарных частиц Исидор Исаак Раби приветствовал открытие мюона не слишком радостной фразой: «Ну, и кто это заказывал?» Тем не менее, мюон существовал. За ним последовали многие другие частицы.
Используя всё более мощную технику, физики продолжали сталкивать крошечные частицы материи все более высокой энергии. При этом в течение коротких промежутков времени воссоздавались условия, не существовавшие со времен Большого взрыва[45]. Среди образовавшихся осколков учёные искали новые фундаментальные частицы, чтобы добавить их к растущему списку элементарных частиц. Вот что они обнаружили: ещё четыре кварка — с, s, b и t, ещё одного, даже более тяжелого, родственника электрона, названного тау‑лептоном, а также ещё две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино (они получили название мюонного нейтрино и тау‑нейтрино, чтобы отличить их от первого нейтрино, которое стало называться электронным нейтрино).
Эти частицы образуются в соударениях при высокой энергии, они существуют только в течение коротких промежутков времени и не входят в состав обычной материи. Но и это ещё не конец истории. Каждая из этих частиц имеет соответствующую ей античастицу, обладающую такой же массой, но являющейся противоположной в некоторых других отношениях, например, противоположной по электрическому заряду (или зарядам других видов взаимодействий, обсуждаемых ниже). Например, античастица электрона называется позитроном, она имеет такую же массу, но её электрический заряд (Подразумевается, что заряды частиц выражены в единицах элементарного заряда е = 1,6 • 10‑19 Кл. — Прим. перев.) равен +1, тогда как у электрона он составляет -1. При контакте вещество и антивещество взаимно уничтожаются, превращаясь в чистую энергию[46] — вот почему антивещество, образовавшееся естественным образом, крайне редко встречается в окружающем нас мире.
Физики подметили закономерность в свойствах этих частиц (см. таблицу ниже).
Три семейства фундаментальных частиц и массы частиц (в долях массы протона). Значения масс нейтрино до сих пор не удалось определить экспериментально
| Семейство 1 | Семейство 2 | Семейство 3 | |||
| Частица | Масса | Частица | Масса | Частица | Масса |
| Электрон | 0,00054 | Мюон | 0,11 | Тау | 1,9 |
| Электронное нейтрино | < 10-8 | Мюонное нейтрино | < 0,0003 | Тау-нейтрино | < 0,033 |
| u-кварк | 0,0047 | c-кварк | 1,6 | t-кварк | 189,0 |
| d-кварк | 0,0074 | s-кварк | 0,16 | b-кварк | 5,2 |
Частицы материи чётко разделяются на три группы, которые часто называют семействами. Каждое семейство состоит из двух кварков, электрона или одного из его родственников, и одного из типов нейтрино. Свойства соответствующих частиц в трёх семействах идентичны за исключением массы, которая последовательно увеличивается в каждом следующем семействе. В настоящее время физики исследуют структуру вещества в масштабах порядка одной миллиардной от одной миллиардной доли метра; при этом показано, что всё вещество, найденное по сей день — естественное или полученное искусственно при помощи гигантских устройств для столкновения атомов — состоит из комбинаций частиц, входящих в эти семейства, и соответствующих им античастиц.
Взгляд на таблицу, несомненно, вызовет у вас ещё большее изумление, чем то, которое испытал Раби при открытии мюона. Разделение на семейства, по крайней мере, вносит какую-то видимость порядка, но при этом возникают многочисленные «почему». Почему требуется так много фундаментальных частиц, особенно если вспомнить, что для подавляющего большинства окружающих нас тел требуются только электроны, и‑кварки и d‑кварки? Почему семейств три?Почему не одно семейство, или не четыре, или не какое-нибудь другое число? Почему наблюдается такой, на первый взгляд совершенно случайный, разброс значений масс частиц, например, почему масса тау‑частицы в 3 520 раз больше массы электрона? Почему масса t‑кварка в 40 200 раз больше массы и‑кварка? Все эти числа выглядят странно, они кажутся случайными. Являются ли они игрой случая, связаны ли они с каким-то божественным выбором, или эти фундаментальные свойства нашей Вселенной имеют какое-то разумное научное объяснение?».
Теперь вернёмся ко взаимодействиям, на которых мы закончили предыдущий раздел. Напомним, что понятие «физика» изначально означало природу, коим понятием в древности первые физики выражали объективную реальность. К настоящему времени, как мы уже говорили, физика научно доказала существование «четырёх фундаментальных типов взаимодействий» в этой самой природе (то есть, в Объективной реальности). Об этом пишет Брайан Грин (выделено нами):
«Гравитационное взаимодействие наиболее привычно для нас — благодаря ему наша планета удерживается на орбите, вращаясь вокруг Солнца, а наши ноги твердо стоят на земле. Масса тела является мерой влияния, которое оказывают на него гравитационные силы, а также мерой гравитационных сил, создаваемых самим телом. Следующим хорошо известным видом взаимодействия являются электромагнитные силы. Этим силам мы обязаны комфортом современной жизни, они используются в электрическом освещении, компьютерах, телевидении, телефонах; кроме того, они лежат в основе устрашающей мощи грозы и нежного прикосновения человеческой руки. На микроскопическом уровне электрический заряд частиц играет ту же роль, что и масса для гравитационного взаимодействия: он определяет величину электромагнитного воздействия частицы и её отклик на электромагнитное воздействие со стороны других частиц.
Сильное и слабое взаимодействия менее известны, поскольку их сила быстро убывает с расстоянием и играет существенную роль только на субатомном уровне — внутри ядер. В этом состоит причина того, что они были открыты совсем недавно. Сильное взаимодействие удерживает кварки в «склеенном» состоянии внутри протонов и нейтронов; оно же удерживает протоны и нейтроны плотно упакованными в атомном ядре. Наиболее известное проявление слабого взаимодействия связано с радиоактивным распадом таких веществ, как уран и кобальт.
В течение прошлого столетия физики обнаружили два общих для всех этих взаимодействий свойства. Во-первых, на микроскопическом уровне каждому взаимодействию соответствует частица, которая может рассматриваться как наименьший сгусток этого взаимодействия. Когда лазер, «электромагнитное ружье», испускает пучок лучей, из него вылетает на самом деле поток фотонов, представляющих собой мельчайшие переносчики электромагнитного взаимодействия. Аналогично, наименьшими компонентами слабого и сильного взаимодействия являются частицы, известные под названием слабых калибровочных бозонов и глюонов. Название глюон (От английского glue — «клей, склеивать». — Прим. перев.) является особенно образным: глюоны могут рассматриваться как микроскопические компоненты прочного клея, удерживающего вместе составляющие атомное ядро частицы.) К 1984 г. экспериментаторы смогли подтвердить существование и детально изучить свойства приведенных в таблице трёх типов частиц, отвечающих за различные виды взаимодействия.
Таблица.
Четыре фундаментальных типа взаимодействий, существующих в природе; частицы, переносящие эти взаимодействия, и их массы (в единицах массы протона). (Переносчики слабого взаимодействия имеют различные массы, указанные в таблице. Теоретические исследования[47] говорят о том, что масса гравитона должна быть равна нулю).
| Взаимодействие | Переносящая частица | Масса |
| Сильное | Глюон | |
| Электромагнитное | Фотон | |
| Слабое | Слабые калибровочные бозоны | 86,97 |
| Гравитационное | Гравитон |
Физики считают, что с гравитационным взаимодействием также связана частица — гравитон, однако её существование пока не получило экспериментального подтверждения».
Автор «Элегантной вселенной» утверждает, что учёные, экспериментально обнаружив частицы квантового мира и выведя четыре типа взаимодействий, не могут понять, почему Вселенная состоит именно из этих частиц и почему у них именно такие характеристики:
«Несмотря на наличие общих свойств, исследование фундаментальных взаимодействий привело только к появлению новых вопросов. Почему, например, существуют четыре фундаментальных взаимодействия? Почему не пять или три, или, может быть, одно? Почему эти взаимодействия имеют столь различные свойства? Почему сильное и слабое взаимодействия работают только в микроскопическом масштабе, тогда как гравитационные и электромагнитные силы имеют неограниченную область влияния? И с чем связано такое огромное различие в интенсивности этих взаимодействий?»[48].
Квантовая наука XX века занималась изучением поведения известных частиц в рамках этих четырёх видов взаимодействий (далее цитата из книги Грина, выделения наши):
«Эксперименты также показали, что сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в сто тысяч раз сильнее слабого взаимодействия. Но в чём же состоит причина того, что наша Вселенная имеет такие свойства?
Вопрос о том, почему те или иные характеристики имеют именно такие значения, отнюдь не является праздным; Вселенная была бы совсем иной, если бы свойства материи и частиц, отвечающих за фундаментальные взаимодействия, хотя бы чуть-чуть изменились. Например, существование стабильных ядер, образующих около сотни элементов периодической системы, очень сильно зависит от соотношения сильного и электромагнитного взаимодействия. Протоны, находящиеся в атомном ядре, отталкивают друг друга в результате действия электромагнитных сил. К счастью, сильное взаимодействие между составляющими эти протоны кварками преодолевает силы отталкивания и удерживает протоны вместе. Однако относительно небольшое изменение соотношения между величинами этих двух взаимодействий может легко нарушить равновесие и привести к разрушению большинства атомных ядер. Далее, если бы масса электрона была всего в несколько раз больше, электроны и протоны начали бы объединяться, образуя нейтроны и захватывая ядра водорода (простейшего элемента во Вселенной, с ядром, состоящим из одного протона), а это, в свою очередь, привело бы к нарушению баланса образования более сложных элементов. Существование звёзд зависит от взаимодействий между стабильными ядрами; звёзды не смогли бы образоваться при таком изменении фундаментальных физических законов. Величина гравитационных сил также играет важную роль. Огромная плотность вещества в центре звезды питает ядерный очаг и, тем самым, определяет интенсивность излучения звезды. Если величина гравитационных сил увеличится, давление в недрах звёзд возрастет, что приведёт к значительному росту интенсивности ядерных реакций. Но так же как яркое пламя исчерпывает горючее гораздо быстрее, чем тихое пламя свечи, так и увеличение скорости ядерных реакций привело бы к тому, что звёзды, подобные нашему Солнцу, выгорели быстрее. Это оказало бы разрушительное влияние на зарождение жизни в том виде, в котором она нам известна. С другой стороны, если бы гравитационные силы существенно уменьшились, вещество не смогло бы собраться в скопления, не возникли бы звёзды и галактики.
Мы могли бы продолжить, но основная идея ясна: Вселенная такая, какая она есть, потому, что вещество и частицы, отвечающие за фундаментальные взаимодействия, имеют те свойства, которые они имеют. Но существует ли научное объяснение тому, почему они имеют именно такие свойства?».
Авторы и сторонники Теории суперструн считают, что они нашли научное объяснение свойствам квантового мира Вселенной, мало того, они якобы смогли теоретически объединить законы микромира и макромира, употребив при этом Общую теорию относительности Эйнштейна.
Но, как мы уже знаем, сама Общая теория относительности с её ограничениями скоростью света и объяснением гравитации является всего лишь «интуитивным озарением» Эйнштейна[49], с помощью которого он теоретически (то есть строго научно) объяснил всем устройство Вселенной, т.е. Объективной реальности. Это эйнштейновское «объяснение» удовлетворяло физиков до тех пор, пока не стали появляться научно-практические доказательства, опровергающие исходные положения Общей теории относительности. Одним из них является открытие, что скорость света не предел и есть взаимодействия, которые распространяются мгновенно[50]. Но сторонники Теории суперструн считают, что их атеистическая “алгебра” может объяснить гармонию Вселенной, происхождение и предназначение каждой из открытых наукой частиц[51] на уровне квантового микромира.
Теория суперструн
Авторы Теории струн[52] «добавили новый микроскопический уровень — колеблющуюся петлю — к уже известной иерархии, идущей от атомов к протонам, нейтронам, электронам и кваркам», как пишет Б.Грин. Они считают, что на теоретическом уровне, на уровне нескольких гипотез объяснили работу механизма Вселенной на фундаментальном уровне.
Под фундаментальной теорией, обычно подразумевают квантовую теорию, описываемую уравнениями квантовой механики. Однако уравнения описывающие гравитационное поле (четвертое взаимодействие) — классические, а не квантовые. Они служат приближением к физическим квантовым уравнениям и перестают работать, если расстояние между объектами очень мало или их энергии слишком велики.
Классические гравитационные уравнения (в Общей теории относительности) на маленьких расстояниях (около 2 х 10-35) перестают описывать реально протекающие процессы.
Однако с «квантованием гравитации» у учёных возникли проблемы, решить которые, доказав это практически, им не удаётся и по сей день[53], хотя такое взаимодействие как электромагнетизм[54] легко практически квантуется. Разрабатываемые теории содержат противоречия. Так, теория гравитации должна описывать не свойства пространства-времени (как у Эйнштейна), а непосредственно его физическую сущность на квантовом уровне, что учёным пока недоступно. Для устранения противоречий, учёные математики и физики сделали предположение о существовании струн, создав новую абстрактную теорию.
Вместо точечных объектов, частиц и их волновых характеристик, Теория суперструн оперирует протяжёнными объектами — струнами. Б.Грин пишет о струне следующее:
«Если бы мы могли исследовать эти частицы с более высокой точностью, на много порядков превышающей наши современные технические возможности, мы обнаружили бы, что каждая из частиц является не точечным образованием, а состоит из крошечной одномерной петли. Внутри каждой частицы — вибрирующее, колеблющееся, пляшущее волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте, которое физики, не наделенные литературным вкусом Гелл‑Манна, назвали струной.
 | Вещество состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из кварков и электронов. Согласно теории струн все такие частицы в действительности представляют собой крошечные петли вибрирующих струн. |
Если теория струн справедлива, микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетенный, многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют, ритмично отбивая законы космоса. Свойства основных кирпичиков мироздания, — будучи совсем не случайными, — глубоко связаны со структурой пространства и времени».
Струна не представляет собой нечто «материальное» в обычном физическом понимании. Это скорее энергетическая субстанция, как считают физики[55]. Тем не менее, её можно представлять себе приближённо в виде некой натянутой нити, веревки, или, например, скрипичной струны, находящейся одновременно в несколько мерном (до семи-десяти и более измерений)[56] “пространстве-времени”.
При этом надо помнить, что физики считают струну фундаментальным объектом Вселенной, который «не из чего не состоит»[57] (её нельзя разделить на несколько меньших объектов). Считается, что струны могут быть замкнутыми или незамкнутыми (открытыми). Колебания струны (как и колебания струн у гитары) могут происходить с разными частотами (гармониками), начиная с некоторой низшей (основной) частоты, и иметь другие колебательные характеристики.
Фундаментальность этого теоретического «открытия» в том, что на достаточно большом расстоянии от струны её колебания воспринимаются как частицы, и колеблющаяся струна с некоторой комбинацией основных гармоник (как и у реальной струны) порождает множество, целый спектр разных частиц. На большом расстоянии от струны частицы выглядят как кванты известных науке полей — гравитационного[58] и электромагнитного. Отсюда возникает представление о том, что частицы в квантовых теориях — не «кусочки вещества», а определённые состояния более общей сущности — соответствующего поля. Масса частиц-полей возрастает по мере увеличения частоты породивших их колебаний[59]. Объединение уравнений Общей теории относительности и квантовой механики приводило учёных к «бессмысленным» теоретическим результатам: квантовая вероятность процесса равна бесконечности.
Как считают авторы Теории суперструн, объединение уравнений стало возможным лишь тогда, когда появилось понятие струны. Учёные объяснили квантовый механизм гравитационного взаимодействия через теоретическую модель эффекта относительности наблюдения за столкновением двух (и более) струн. Дело в том, что до теории струн взаимодействие точечных частиц и сила, связанная с их взаимодействием (столкновением) на квантовом уровне (как учёные считают — гравитационная сила, когда частица, передающая взаимодействие, является гравитоном, а не фотоном), приводило к теоретическим результатам, когда «упаковка всей энергии взаимодействия в одну точку» теоретически вела к катастрофическим результатам, вроде упоминавшихся ранее бесконечных ответов. В противоположность этому струны как бы «размазывают» место, в котором происходит взаимодействие, что подтвердилось вероятностным поведением квантового мира, зависящего от «наблюдателя» (мы его рассмотрим в следующих разделах).
Грубо говоря, если «равноправных наблюдателей» два или больше и они не находятся в одном «пространственно-временном» месте, то эффект от столкновения «гравитонов» зависит от «относительного положения» наблюдателей. Чем дальше их «точки положения», тем протяжённее «столкновение» и менее катастрофично, чем в теории, если бы это были не струны, а частицы. Это и позволяет избежать теоретически возможной неуправляемой катастрофы от столкновения «частицы» и «античастицы» (самый простой пример в физике — электрон и позитрон)[60], которая в теории выражается как бесконечные результаты расчётов, а картина квантового мира выглядит как хаос.
Кроме этого нового «принципа квантовой относительности» открытый учёными принцип симметрии и суперсимметрии позволил теоретически обосновать, что интенсивность трёх негравитационных взаимодействий одинакова в масштабе малых (планковских) расстояний. Это обеспечило объяснение того, что никакого хаоса на уровне микромира не существует. Как утверждают учёные, симметрия — это инвариантность относительно некоторых преобразований. В связи с этим предположили, что и гравитационное взаимодействие тоже имеет одинаковую с предыдущими интенсивность. То есть в многомерном пространстве[61], на достаточном расстоянии от струны возникает суперсимметричный вариант гравитации, названный супергравитацией[62].
Все «элементарные» частицы делятся на два класса — бозоны и фермионы. Первые, например фотон и гравитон, могут собираться вместе в большие скопления, в отличие от них каждый фермион должен подчиняться принципу Паули[63]. К фермионам относится в частности электрон. Различия физического поведения разных типов частиц требуют различного математического описания.
И бозоны, и фермионы могут сосуществовать в одной физической системе, и такая система может обладать особым видом симметрии — суперсимметрией. Она отображает бозоны в фермионы и обратно. Для этого, естественно, требуется равное количество обоих видов частиц, но этим условия суперсимметрии не ограничиваются. Суперсимметричные системы могут существовать только в так называемом суперпространстве. Оно отличается от обычного пространства-времени наличием так называемых фермионных координат и преобразования суперсимметрии в нём похожи на вращения и сдвиги в обычном пространстве. В суперпространстве частицы и поля представляются набором частиц и полей обычного пространства со строго фиксированным количественным соотношением бозонов и фермионов и их характеристик (спин и т. п.). Входящие в такой набор частицы-поля называют суперпартнёрами.
Суперпартнеры «сглаживают» друг друга. Это явление, наряду с особенностями геометрии суперпространств, значительно затрудняет объяснение процессов, происходящих в суперпространствах, с точки зрения квантовой теории. Струны, существующие в суперпространстве, называются суперструнами.
Учёные утверждают, что частицы в микромире — это кванты соответствующих полей[64], и последовательное описание их взаимодействий осуществляется исходя из этого утверждения. Поля могут иметь сотни различных компонент и, как правило, их тем больше, чем выше размерность пространства-времени. Компоненты — это как бы отдельные поля, но они все собраны в единую структуру и не обладают без неё абсолютной самостоятельностью. Например, электромагнитное поле в 4-мерном пространстве имеет четыре компоненты. Две из них ненаблюдаемы, а другие две соответствуют двум направлениям поляризации фотона. Если представить, что поле существует в пространстве, одно или несколько измерений которого свёрнуты в маленькие окружности (или просто свёрнуты), то есть в эффективном пространстве меньшей размерности, это поле должно будет преобразовать себя так, чтобы число компонент уменьшилось до количества, ожидаемого от него в новом пространстве меньшей размерности. Лишние компоненты поля при этом оказываются полностью независимыми, самостоятельными и выступают как новые поля. Некоторые наборы вроде бы никак не связанных полей в четырёхмерном пространстве могут оказаться «осколками единого поля» в пространстве более высокой размерности.
На сегодняшний день неизвестно, как осуществляется «выбор между разными вариантами скрутки и разбивки» полей на размерности. Однако возможности такого выбора встроены в Теорию суперструн, поскольку в ней утверждается, что «суперструны порождают гравитацию, которая и определяет геометрию пространства-времени». Предположение гласит, что согласно теории суперсимметрии «при скручивании лишних измерений в очень маленькие пространства, свойства теории в остающихся измерениях отражают некоторые геометрические характеристики этих пространств».
Учёные занимаются тем, что пытаются проверить теорию на практике. Они от наблюдаемых свойств элементарных частиц (при доступных малых энергиях в ускорителях) переходят к Теории суперструн, экстраполируя эти свойства на очень высокие энергии[65] (не доступные пока, но существенные для струнного описания; учёные заглянули в микромир лишь на «-17» порядок, когда «планковский порядок» около «-40»). В рамках струнной формулировки теории учёные пытаются понять, каковы механизмы, «переводящие» самые малые струнные сущности в термины геометрии «скрученных измерений»[66], а затем на язык четырёхмерии (пространство-время) и существующих в нём элементарных частиц.
Теория утверждает, что «струнам доступно то, что недоступно частицам». При наличии хотя бы одного «скрученного измерения» они могут «наматываться» на него, делая один или несколько витков. С точки зрения наблюдателя это выглядит как появление некоторых новых частиц. При определённых соотношениях между радиусом свёрнутого измерения и количеством оборотов струны такие частицы становятся лёгкими, и их можно сравнивать с теми безмассовыми частицами, появление которых ожидалось с самого начала, как соответствующих низшим гармоникам колебаний струны.
В итоге получается, что при слабом взаимодействии между струнами, в рамках стандартной теории возмущений струна порождает определённые частицы, реализующие некоторые виды симметрии, в частности суперсимметрию. В другом диапазоне интенсивности взаимодействия, вне рамок теории возмущений (в области сильной связи) струна может порождать другие частицы.
Нет никакого смысла более подробно углубляться в весьма запутанную, но всё более популярную у учёных Теорию суперструн — её можно прочесть в популярном изложении книги Б.Грина, или в других источниках. Нам важны лишь некоторые выводы из этой теории, которые, как мы увидим далее, уже употребили западные популяризаторы новых идей для толпы.
Квантовая вероятность
Как нам уже известно, Эйнштейн не разделял выводов квантовых физиков о вероятностной структуре процессов, идущих во Вселенной. Эйнштейн и Планк, до конца своих жизней остались верны принципам полной математической предсказуемости процессов в Объективной реальности[67]. Об этом пишет Б.Грин (выделено нами):
«Ушли те дни, когда Вселенная представлялась работавшим как часы механизмом, объекты которого, приведённые в движение в какой-то момент в прошлом, покорно следовали к неизбежному, единственным образом определяемому пункту назначения. Согласно квантовой механике Вселенная развивается в соответствии со строгими и точными математическими законами, но эти законы определяют только вероятность того, что может наступить то или иное конкретное будущее, и ничего не говорят о том, какое будущее наступит в действительности.
Многие сочтут этот вывод обескураживающим или даже совершенно неприемлемым. Одним из таких людей был Эйнштейн. В одном из наиболее известных в истории физики высказываний он предостерегал сторонников квантовой механики: «Бог не играет в кости со Вселенной»[68]. Он считал, что вероятность появляется в фундаментальной физике по той же причине, по которой она появляется в игре в рулетку: вследствие существенной неполноты нашего знания. С точки зрения Эйнштейна, во Вселенной нет места для будущего, точное содержание которого включает элементы вероятности. Физики должны предсказывать, как будет развиваться Вселенная, а не определять вероятность того, что события могут пойти каким-то путём. Но эксперимент за экспериментом (некоторые из наиболее впечатляющих были выполнены уже после его смерти) убедительно подтверждали, что Эйнштейн был не прав. Как заметил однажды по этому поводу британский физик‑теоретик Стивен Хокинг. «Заблуждался Эйнштейн, а не квантовая теория».
Итак, признав, что Эйнштейн заблуждался, квантовые физики всё-таки взяли на вооружение не что-то свежее, а Общую теорию относительности и приспособили её к квантовому миру. К тому же, если рассмотреть знаменитое высказывание Эйнштейна «Он [Бог] не бросает кости» вне контекста того, как это понимал сам Эйнштейн[69] — он оказался прав: Бог действительно не следует «воле случая», но по-крупному. Он задал наперёд не однозначный результат развития, а Матрицу (Меру) возможных состояний. В общем-то к этому выводу и подводили учёных их же опыты на уровне квантового мира весь период развития науки после «эпохи Эйнштейна». Однако, если А.Эйнштейн вообще не давал никакой свободы развития интеллектуальным элементам Вселенной, то квантовые физики своими выводами создали «научную» почву, на базе которой возникла очередная научно-атеистическая безмерная эсхатологическая иллюзия (к тому же весьма опасная своей научно обоснованной вседозволенностью)[70]. Общая теория относительности с её космологической доктриной[71] объединила физиков «эпохи Эйнштейна» и квантовых физиков конца XX – начала XXI вв.
Рассмотрим как квантовые физики разрушали старые планковско-эйнштейновские представления о поведении Объективной реальности[72]. Начнём с некоторых широко известных вещей. Известная всем волновая теория света началась с опытов, поставленных членом Лондонского королевского общества Томасом Юнгом. В 1801 г. он объяснил явление интерференции света, дал интерпретацию «колец Ньютона». История развития исследований в области волновой теории света хорошо описана у Б.Грина:
«Представим, что вместо световых волн мы рассматриваем волны на поверхности воды. Это не повлияет на результат, но такие волны более наглядны. Когда волна сталкивается с преградой, то, как показано на рисунке ниже, от каждой щели распространяется новая волна, похожая на ту, которая возникает, если бросить камешек в пруд. (Это легко проверить, используя картонный лист с двумя прорезями, помещенный в чашку с водой.) Когда волны, идущие от каждой щели, накладываются друг на друга, происходит интересное явление. При наложении двух волновых максимумов высота волны в соответствующей точке увеличивается — она равна сумме высот максимумов двух наложившихся волн. Аналогично, при наложении двух минимумов глубина впадины, образовавшейся в этой точке, также увеличивается. Наконец, если максимум одной волны совпадает с минимумом другой, они взаимно гасят друг друга. (На этом основана конструкция фантастических шумопоглощающих наушников — они определяют форму пришедшей звуковой волны и генерируют другую, форма которой в точности «противоположна» первой, что приводит к подавлению нежелательного шума.) Между этими крайними случаями — максимум с максимумом, минимум с минимумом и максимум с минимумом — расположен весь спектр частичного усиления и частичного ослабления. Если вы с компанией друзей сядете в небольшие лодки, выстроите их в линию параллельно преграде и каждый из вас будет сообщать, насколько сильно его качает при прохождении волны, результат будет похож на тот, который изображен на рисунке.
Круговые волны на воде, идущие от каждой щели, накладываются одна на другую; это приводит к тому, что в одних местах результирующая волна будет усиливаться, а в других ослабляться.
Точки с сильной качкой будут расположены там, где накладываются максимумы (или минимумы) волн, приходящих от разных щелей. Участки с минимальной качкой или полным ее отсутствием окажутся там, где максимумы волны, идущей от одной щели, будут совпадать с минимумами волны, идущей от другой щели».
Юнг провёл подобный опыт, но не с водой, а со светом, то есть с электромагнитным полем.
«Самые яркие участки на рисунке представляют области, в которых максимумы (или минимумы) световых волн, пришедших от разных щелей, совпадают. Тёмными являются участки, в которых максимум одной волны складывается с минимумом другой, приводя к вза