Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

Это был великий день для физики высоких энергий, но ученые понимали, что впереди еще большой путь. Стандартная модель действительно описывает все взаимодействия частиц, от глубин протона до самых дальних уголков видимой Вселенной. Но ее проблема в том, что она очень громоздкая. В прошлом всякий раз, когда физики зондировали фундаментальную природу материи, на свет появлялись новые элегантные типы симметрии, и теперь с трудом верилось, что на самом фундаментальном уровне природа могла предпочесть столь неряшливую теорию.

Несмотря на бесспорные практические успехи Стандартной модели, всем очевидно, что она лишь разогревающая прелюдия к окончательной теории, которой еще предстоит появиться.

Тем временем физики, воодушевленные поразительными успехами квантовой теории в применении к элементарным частицам, начали пересматривать общую теорию относительности, которая несколько десятилетий пребывала практически в забвении. Теперь физики ставили перед собой более амбициозную цель – совместить Стандартную модель с гравитацией, нужно было только создать квантовую теорию самой гравитации. Это была бы подлинная теория всего, в которой все квантовые поправки как для Стандартной модели, так и для общей теории относительности поддавались бы вычислению.

Прежде теория перенормировки была ловким фокусом, позволявшим скомпенсировать все квантовые поправки КЭД и Стандартной модели. Ключом было представление электромагнитных и ядерных сил как частиц, называемых фотонами и частицами Янга – Миллса, а потом оставалось взмахнуть волшебной палочкой, чтобы все расходимости исчезли, скомпенсировавшись где-то в другом месте. Все неприятные бесконечности были, таким образом, заметены под ковер.

Физики наивно последовали освященной временем традиции: взяли теорию гравитации Эйнштейна и ввели новую точечную частицу гравитации, назвав ее гравитоном. Так что гладкая поверхность, которую ввел Эйнштейн и которая должна была представлять в его теории ткань пространства-времени, оказалась окруженной облаком из триллионов крохотных частиц-гравитонов.

Увы, набор фокусов, которые с таким старанием собирали физики на протяжении прошедших семидесяти лет для устранения неудобных расходимостей, в случае с гравитоном не сработал. Квантовые поправки, созданные гравитонами, были бесконечны и отказывались поглощаться где-то в другом месте. Здесь физики оказались в тупике. Полоса удачи закончилась.

После этого разочарованные физики обратились к более скромной цели. Будучи не в состоянии создать полную квантовую теорию гравитации, они попытались рассчитать, что происходит при квантовании с обычной материей, оставив гравитацию в покое. Это означало вычислить квантовые поправки, обусловленные звездами и галактиками, не затрагивая гравитации. При помощи одного лишь квантования атома ученые надеялись подняться на ступеньку выше и лучше разглядеть более масштабную цель – формулирование квантовой теории гравитации.

Такая задача была более скромной, но она открыла шлюзы для появления поразительного множества новых, интереснейших физических явлений, которые бросили вызов нашим представлениям о Вселенной. Внезапно квантовые физики столкнулись с самыми необычными явлениями Вселенной: черными дырами, кротовыми норами, темной материей и темной энергией, путешествиями во времени и даже рождением самой Вселенной.

Но открытие этих странных космических явлений стало вызовом и для теории всего, которая теперь должна была объяснять не только знакомые элементарные частицы Стандартной модели, но и все новые странные явления, раздвигавшие границы человеческого воображения.

В 2019 г. газеты и интернет-сайты по всей планете разместили на главных страницах сенсационные новости: астрономам впервые удалось сфотографировать черную дыру. Миллиарды людей увидели этот впечатляющий снимок – красный шар раскаленного газа с черным округлым силуэтом в середине. Этот загадочный объект захватил воображение публики и некоторое время главенствовал в новостях. Дело не только в том, что черные дыры интригуют и завораживают физиков, но и в том, что они уже вошли в общественное сознание, поскольку фигурировали в многочисленных научно-популярных передачах и художественных фильмах.

Черная дыра, которую сфотографировал телескоп Event Horizon, находится в галактике M87 на расстоянии 53 млн световых лет от Земли. Эта черная дыра – настоящий монстр, превосходящий Солнце по массе – вообразите только! – в шесть миллиардов раз. Вся наша Солнечная система, даже с учетом Плутона, легко поместилась бы внутри черного силуэта на фотографии.

Чтобы добиться этого поразительного успеха, астрономы построили супертелескоп. Обычно радиотелескопы недостаточно велики, чтобы уловить слабый радиосигнал и создать на его основе изображение столь отдаленного и компактного объекта. Для достижения цели астрономы связали сигналы пяти телескопов, разбросанных по миру, а потом использовали суперкомпьютеры, чтобы тщательно совместить сигналы, создав, по существу, единый гигантский радиотелескоп размером с планету Земля. Этот составной инструмент был настолько мощным, что мог бы, в принципе, различить с Земли апельсин на поверхности Луны.

Множество новых замечательных астрономических открытий, подобных этому, возродили интерес к теории гравитации Эйнштейна. Как ни печально, последние пятьдесят лет в исследованиях в области общей теории относительности Эйнштейна наблюдалось затишье. Уравнения в ней были чертовски сложными и содержали зачастую сотни переменных, а эксперименты с гравитацией – слишком дорогими, ведь для них требовались датчики размером в километры.

По иронии судьбы, хотя сам Эйнштейн относился к квантовой теории с подозрением, нынешнее возрождение исследований в области теории относительности было вызвано слиянием этих двух научных областей – применением квантовой теории к общей теории относительности. Как уже говорилось, если полное понимание гравитона и устранение его квантовых поправок считается слишком сложным делом, то более скромная задача применения квантовой теории к звездам (пренебрегая гравитонными поправками) положила начало целой волне прорывных научных открытий.

Что такое черная дыра?

Основная идея черной дыры, в принципе, уходит корнями в открытие Ньютоном закона всемирного тяготения. Его «Начала» дают нам простую картину: если придать пушечному ядру достаточную энергию, оно полностью обогнет Землю и вернется в начальную точку.

Но что произойдет, если направить ядро точно вверх? Ньютон понял, что в какой-то момент такое ядро достигнет максимальной высоты, а затем упадет обратно на Землю. Но при достаточной энергии оно достигнет скорости убегания, то есть скорости, необходимой для преодоления земного притяжения, и унесется в пространство, чтобы никогда не вернуться назад.

Это совсем несложное упражнение – вычислить при помощи законов Ньютона скорость убегания от Земли, или вторую космическую скорость. Она равна примерно 40 000 км/ч. Именно такую скорость должен был набрать космический корабль американских астронавтов в 1969 г., чтобы достичь Луны. Объект, не достигший второй космической скорости, либо выйдет на околоземную орбиту, либо упадет обратно на Землю.