полностью переходит в энергию электрического, и наоборот. Но так как свет распространяется в виде поперечных волн, можно сделать вывод: «Свет — электромагнитное возмущение». Электромагнитное поле распространяется

âпространстве в виде поперечных волн со скоростью с = 3 108 м/с. Скорость распространения волн зависит от свойств среды, поэтому невозможно «мгновенное дальнодействие». Это предчувствовал Ломоносов, это доказали Фарадей и Максвелл. Итак, в световых волнах колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство, которое находится в состоянии напряжения.

Световая волна — это волна электромагнитная, «бегущая в пространстве и отделенная от испустивших ее зарядов», как выразился Вайскопф. «Открытие Максвелла можно сравнить по важности с открытием закона тяготения Ньютона. Ньютон связал движение планет с тяготением на Земле и открыл фундаментальные законы, управляющие механическим движением масс под действием сил. Максвелл связал оптику с электричеством и открыл фундаментальные законы (уравнения Максвелла), управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействием с зарядами и магнитами. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобщего закона тяготения, труды Максвелла — к введению понятия электромагнитного поля и к установлению законов его распространения».

Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то дальнодействие должно уступить место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Идеи тока смещения (1861 г.), электромагнитных волн и электромагнитной природы света (1865 г.) были настолько смелыми и необычными, что даже следующее поколение физиков не сразу приняли теорию Максвелла. В 1888 г. Генрих Герц открыл электромагнитные волны, но такого активного противника теории Максвелла, как У.Томсон (Кельвин), смогли убедить лишь эксперименты П.Н.Лебедева, открывшего в 1889 г. существование светового давления.

Плотность потока энергии в волне, распределенной

âнекоторой области пространства и колеблющейся во времени, — это количестве электромагнитной энергии, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения, в единицу времени. Плотность потока энергии обозначают буквой S. Для плоской волны с Å = Â энергия делится поровну между электрической и магнитной компонентами, поэтому удобно записать: S = E2 = B2.

Электромагнитное излучение Солнца переносит на Землю его энергию, снабжая нас теплом и светом. Учение о движении энергии было разработано русским физиком Н.А.Умовым. Он показал, что изменение энергии внутри объема определяется ее потоком через поверхность. Через 11 лет после публикации Умова английский физик лорд Дж.Рэлей представил Королевскому обществу сообщение Дж.Пойтинга «О переносе энергии в электромагнитном поле», где содержались независимо полученные аналогичные результаты. Поэтому ныне вектор S = (E H) называют вектором Умова–Пойтинга.

Импульс электромагнитной волны можно записать аналогично: из формулы Å = mc2 следует получить значение эквивалентной массы и, зная скорость распространения волны ñ, посчитать импульс, т.е. Ð = mc = E/c. Мы не замечаем давления света, обусловленного наличием импульса у световой волны, ни от светящейся лампочки, ни от Солнца, так как огромное значение скорости света c, стоящее в знаменателе последней формулы. В теории Максвелла энергия распределена в пространстве с объемной плотностью, записанной выше, и электромагнитная волна несет энергию. И он утверждал, что, падая на поглощающую поверхность, волна, должна производить давление, равное объемной плотности энергии.

Âсередине XIX в. Максвелл объединил электричество

èмагнетизм в единой теории поля. Электрический заряд связан с элементарными частицами, из которых самые известные — электрон и протон — имеют одинаковый по

величине заряд å, это универсальная постоянная природы. В системе СИ он равен 1,6 10–19 Кл. Хотя магнитных зарядов пока не обнаружено, в теории они уже возникают. По мнению известного физика Дирака, величина магнитного заряда должна быть кратной заряду электрона å.

Дальнейшие исследования в области электромагнитного поля привели к установлению противоречия с представлениями классической механики, эти противоречия пытался устранить путем математического согласования теорий голландский физик Х.А.Лоренц. Он ввел преобразования координат инерциальных систем, которые в отличие от классических преобразований Галилея содержали константу — скорость света, которая и осуществляла связь с теорией поля. Изменились масштабы времен и длин при скоростях, близких к скорости света. Физический смысл этих преобразований Лоренца был вскрыт только А.Эйнштейном в 1905 г. в его работе «К электродинамике движущихся тел», составившей основу специальной теории относительности (СТО) или релятивистской механики.

7.4. ТИПЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ФИЗИКЕ

Естествознание не только выделяет типы материальных объектов во Вселенной, но и раскрывает связи между ними. Связь между объектами в целостной системе более упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из элементов с элементами из внешней среды. Чтобы разрушить систему, выделить из системы тот или иной элемент, нужно приложить к ней определенную энергию. Эта энергия имеет разную величину и зависит от типа взаимодействия между элементами системы. В мегамире эти взаимодействия обеспечиваются гравитацией, в макромире к гравитации

добавляется электромагнитное взаимодействие, и оно становится основным, как более сильное. В микромире на размерах атома включается еще более сильное, так и называемое сильное ядерное взаимодействие, обеспечи- вающее целостность атомных ядер. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей становится сравнимой с собственной энергией частиц — слабое ядерное взаимодействие обеспечивает целостность частиц. Так что чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой элементы.

79

История науки знает множество попыток представить сложные процессы во Вселенной в виде определенных схем. Успешное познание окружающего мира и приведение наблюдаемых явлений к простейшим понятиям возможны лишь в том случае, если бы мы сумели описать Мир в терминах ограниченного числа фундаментальных частиц

èнескольких типов фундаментальных взаимодействий, в которые они могут вступать. Сейчас мы знаем, что природные вещества — это химические соединения элементов, построенных из атомов и собранных в Периодическую таблицу. Некоторое время считали, что атомы и есть элементарные кирпичики мироздания, но потом установили, что атом представляет собой «целую Вселенную»

èсостоит из взаимодействующих друг с другом еще более фундаментальных частиц: протонов, электронов, нейтронов, мезонов и т.д. Число частиц, претендующих на элементарность, увеличивается, но так ли уж они элементарны?

Механика Ньютона была признана, но происхождение сил, которые вызывают ускорения, в ней не обсуждалось. Силы гравитации действуют через пустоту, они дальнодействующие, тогда как силы электромагнитные — через среду. В настоящее время все взаимодействия в природе сводят к четырем типам: гравитационные, электромагнитные, сильные ядерные è слабые ядерные.

Гравитация — исторически первое исследованное взаимодействие. Вслед за Аристотелем считали, что все тела стремятся к «своему месту» (тяжелые — вниз, к Земле, легкие — вверх). Физике XVII–XVIII вв. были известны только гравитационные взаимодействия. По Ньютону, две

точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль соединяющей их прямой: Fãð = –G m1 m2/r2. Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние между телами (считается, что размер тел

много меньше r), m1 è m2 — массы тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на

расстоянии 1 м друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67 10–11 Н. Гравитация универсальна, все тела подвержены ей, и даже сама частица — источник гравитации. Если бы величина G была больше, то увеличилась бы и сила, но G очень мала, и гравитационное взаимодействие в мире субатомных частиц несущественно, а между макроскопическим телами еле заметно. Кэвендиш сумел измерить величину G, пользуясь крутильными весами. Универсальность постоянной G означает, что в любом месте Вселенной и в любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными расстоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно говорить, что G определяет структуру гравитирующих систем. Гравитация (ëàò. gravitas «тяжесть»), или тяготение, не очень существенна при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю Солнечную систему

èгалактики. Мы постоянно ощущаем гравитацию в нашей жизни. Закон утвердил дальнодействующую природу силы тяготения и основное свойство гравитационного взаимодействия — его универсальность.

Теория тяготения Эйнштейна (ОТО) дает отлича- ющиеся результаты в сильных гравитационных полях, в

слабых — обе теории совпадают. Согласно ОТО, гравитация — это проявление искривления пространства– времени. Тела движутся по искривленным траекториям не потому, что на них действует гравитация, а потому, что они движутся в искривленном пространстве–времени. Движутся «кратчайшим путем, и тяготение — это геометрия». Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить не только вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронных звезд или черных дыр. Таковы, например, прецессия орбиты Меркурия или замедление времени на поверхности Земли (см. рис.5). Эйнштейн показал, что гравитацию можно описывать как эквивалент ускоренного движения.

Чтобы избежать сжатия Вселенной под влиянием самогравитации и обеспечить ее стационарность, он ввел возможный источник гравитации с необычными свойствами, ведущий к «расталкиванию» материи, а не к концентрации ее, а сила отталкивания Fêîñì возрастает с расстоянием. Но эти свойства могут проявляться только в очень больших масштабах Вселенной. Сила отталкивания неимоверно мала и не зависит от отталкивающей массы; ее представляют в

âèäå Fêîñì = L r m c2, ãäå m — масса отталкиваемого объекта, r — его расстояние от отталкивающего тела, c —

скорость света. Сейчас устанавливают верхний предел для L = 10–53 ì2, т.е. для двух тел массами по 1 кг, находящихся на расстоянии 1 м, сила притяжения превышает косми- ческое отталкивание, по крайней мере, в 1025 раз. Если две галактики с массами 1041 кг находятся на расстоянии 10 млн св. лет (около 1022 м), то для них силы притяжения примерно уравновешивались бы силами отталкивания. Поэтому эта величина не измерена до сих пор, хотя и важна для крупномасштабной структуры Вселенной как фундаментальная.

Электромагнитное взаимодействие, обусловленное электрическими и магнитными зарядами, переносится фотонами. Силы взаимодействия между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов. Если два заряда å1 è å2 неподвижны и сосредоточены в точках на расстоянии r, то взаимодействие между ними электричес-

кое и определяется законом Кулона: Fýë. = å1 å2/(4πεε0 r2). В зависимости от знаков зарядов å1 è å2 сила электрического

взаимодействия, направленная вдоль прямой, соединяющей заряды, будет силой притяжения или отталкивания. Здесь через ε обозначена постоянная, определяющая интенсивность электростатического взаимодействия, ее значение 8,85 1012 Ф/м. Так, два заряда по 1 Кл, разнесенные на 1 м, будут испытывать силу 8,99 109 Н. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 10–19 Кл. Заряд протона считается положительным (å), электрона — отрицательным.

Магнитные силы порождаются электрическими токами — движением электрических зарядов. Существуют попытки объединения теорий с учетом симметрий, в которых предсказывается существование магнитных зарядов (магнитных монополей), но они пока не обнаружены. Поэтому величина å определяет и интенсивность магнитного взаимодействия. Если электрические заряды

80

движутся с ускорением, то они излучают — отдают энергию	связаны энергия, выделяемая Солнцем и звездами, пре-
в виде света, радиоволн или рентгеновских лучей в зави-	вращения в ядерных реакторах и освобождение энергии.
симости от диапазона частот. Почти все носители инфор-	Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо,
мации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют	разную природу. К настоящему времени не ясно, исчер-
электромагнитную природу, хотя и проявляются подчас в	пываются ли ими все взаимодействия в природе. Самое
сложных формах. Электромагнитные взаимодействия	сильное — короткодействующее сильное взаимодействие,
определяют структуру и поведение атомов, удерживают	электромагнитное слабее его на 2 порядка, слабое — на
атомы от распада, отвечают за связи между молекулами,	14 порядков, а гравитационнное — меньше сильного на
т.е. за химические и биологические явления. Гравитация и	39 порядков. В соответствии с величиной сил взаимо-
электромагнетизм — дальнодействующие силы, распро-	действия они происходят за разное время. Сильные ядерные
страняющиеся на всю Вселенную.	взаимодействия происходят при столкновении частиц с
Сильные и слабые ядерные взаимодействия —	околосветовыми скоростями, и время реакций, опреде-
короткодействующие и проявляются только в пределах	ляемое делением радиуса действия сил на скорость света,
размеров атомного ядра, т.е. в областях порядка 10–14 ì.	дает величину порядка 10–23 с. Процессы слабого взаимо-
Слабые ядерные взаимодействия ответственны за	действия происходят за 10–9 с. Характерные времена для
многие процессы, обусловливающие некоторые виды ядер-	гравитационного взаимодействия порядка 1016 ñ, èëè 300
ных распадов элементарных частиц (например, β-распад —	ìëí ëåò.
превращение нейтронов в протоны) с радиусом действия	«Закон обратных квадратов», по которому действуют
почти точечным: около 10–18 м. Оно сильнее сказывается	друг на друга точечные гравитационные массы или элект-
на превращениях частиц, чем на их движении, поэтому его	рические заряды, следует из трехмерности пространства,
эффективность определяют постоянной, связанной со	как показал П.Эренфест (1917 г.). В пространстве n èçìå-
скоростью распада, — универсальной постоянной связи	рений точечные частицы взаимодействовали бы по закону
g(W), определяющей скорость протекании процессов типа	обратной степени (n – 1). Äëÿ n = 3 справедлив закон
распада нейтрона. Слабое ядерное взаимодействие осу-	обратных квадратов, так как 3 – 1 = 2. А при n = 4, ÷òî
ществляют так называемые слабые бозоны, и одни суб-	соответствует закону обратных кубов, планеты двигались
атомные частицы могут превращаться в другие. Оно самое	бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах
слабое из известных, кроме гравитации. Открытие неста-	при числе измерений, больше трех, также не существовало
бильных субъядерных частиц обнаружило, что слабое	бы устойчивых орбит, т.е. не было бы химических про-
взаимодействие вызывает множество превращений. Сверх-	цессов и жизни. На связь трехмерности пространства с
новые звезды — один из немногих случаев наблюдаемого	законом тяготения указывал еще и Кант.
слабого взаимодействия.	Кроме того, можно показать, что распространение волн
Сильное ядерное взаимодействие препятствует распаду	«в чистом виде» невозможно в пространстве с четным
атомных ядер, и не будь его, ядра распались бы из-за сил	числом измерений — появляются искажения, нарушающие
электрического отталкивания протонов. В ряде случаев для	переносимую волной структуру (информацию). Пример
его характеристики вводят величину g(S), аналогичную	тому — распространение волны по резиновому покрытию
электрическому заряду, но много большую. Сильное взаимо-	(по поверхности размерности 2). В 1955 г. математик
действие, осуществляемое глюонами, резко спадает до нуля	Г.Дж.Уитроу заключил, что поскольку живым организмам
за пределами области радиусом около 10–15 м. Оно связы-	необходимы передача и обработка информации, то высшие
вает между собой кварки, входящие в состав протонов,	формы жизни не могут существовать в пространствах
нейтронов и других подобных частиц, именуемых сейчас	четной размерности. Этот вывод относится к известным
адронами. Говорят, что взаимодействие протонов и нейт-	нам формам жизни и законам природы и не исключает
ронов есть отражение их внутренних взаимодействий, но	существование иных миров, иной природы.
пока картина этих глубинных явлений скрыта от нас. С ним

7.5. ПОПЫТКИ ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРИИ ВСЕГО СУЩЕГО

Ученые стремились найти единообразное объяснение окружающего мира и построить для этого единую теорию. В качестве универсальной физической теории после Ньютона считали механику. В XIX в. это место заняла механистическая картина мира, включающая механику, термодинамику и кинетическую теорию материи, упругую теорию света и электромагнетизм. Открытие электрона стимулировало создание новой теории. В конце века Х.Лоренц построил свою электронную теорию, но проблемы, связанные с дискретностью заряда и непрерывностью поля, и проблемы в теории излучения («ультрафиолетовая катастрофа») привели к созданию квантово-полевой картины мира и квантовой механики. После создания СТО ожидалось, что охватить мир природы способна электро-

магнитная картина мира, соединявшая теорию относительности, теорию Максвелла и механику, но и эта иллюзия вскоре была развеяна. Многие теоретики пытались едиными уравнениями охватить гравитацию и электромагнетизм. Под влиянием обаяния Эйнштейна, который ввел четырехмерное пространство–время, строились многомерные теории поля в попытках свести явления к геометрическим свойствам пространства.

Объединение осуществилось на основе установленной независимости скорости света для разных наблюдателей, движущихся в пустом пространстве при отсутствии внешних сил. Эйнштейн изобразил мировую линию объекта на плоскости, где пространственная ось направлена горизонтально, а временная — вертикально. Тогда вертикальная

81

прямая — это мировая линия объекта, который покоится в данной системе отсчета, а наклонная — движущегося с постоянной скоростью. Кривая мировая линия соответствует движению объекта с ускорением. Любая точка на этой плоскости отвечает положению в данном месте в данное время и называется событием. Гравитация при этом уже не была силой, действующей на пассивном фоне пространства и времени, а представляла собой искажение самого пространства–времени. Ведь гравитационное поле — это «кривизна» пространства–времени.

Для установления связи между системами отсчета, движущимися относительно друг друга, нужно измерять пространственные интервалы в тех же единицах, что и временные. Множителем для такого пересчета может служить скорость света, связывающая расстояние с временем, за которое свет может это расстояние преодолеть. В такой системе 1 м равен 3,33 нс (1 нс =10–9 с). Тогда мировая линия фотона пройдет под углом 45°, а любого материального объекта — под меньшим углом (так как скорость у него всегда меньше скорости света). Поскольку пространственная ось на плоскости соответствует трем пространственным осям, то мировые линии материальных тел будут находиться внутри конуса, описываемого мировой линией фотона. Результаты наблюдений солнечного затмения 1919 г. принесли всемирную славу Эйнштейну. Смещения звезд, которые можно увидеть в окрестности Солнца только во время затмения, совпали с предсказаниями теории тяготения Эйнштейна. Так что его геометрический подход к построению теории тяготения был подтвержден впечатляющими экспериментами.

Âтом же, 1919 г., когда появилась ОТО, приват-доцент Кенигсбергского университета Т. Калуцы отправил Эйнштейну свою работу, где предлагал пятое измерение. Пытаясь найти первооснову всех взаимодействий (тогда было известно два — тяготение и электромагнетизм), Калуца показал, что они могут быть выведены единообразно в пятимерной ОТО. Для успеха объединения не имели значения размеры пятого измерения и, может быть, они столь малы, что их не удается обнаружить. Только после двухгодичной переписки с Эйнштейном статью опубликовали. Шведский физик О.Клейн предложил модификацию основного уравнения квантовой механики с пятью переменными вместо четырех (1926 г.). Неощущаемые нами измерения пространства он «свернул» до очень малых размеров (приведя пример небрежно брошенного поливального шланга, который издалека кажется извилистой линией, а вблизи каждая его точка оказывается окружностью). Эти своеобразные петельки он оценил по размеру

â1020 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому пятое измерение и не наблюдаемо, но возможно.

Âразвитие пятимерной теории внесли свой вклад советские ученые Г.А.Мандель и В.А.Фок. Они показали, что траектория заряженной частицы в пятимерном пространстве может быть строго описана как геодезическая линия (ãðå÷. geodaisia «землеразделение»), или кратчайший путь между двумя точками на поверхности, т.е. пятое измерение может быть физически реальным. Оно не обнаружено из-за соотношения неопределенности Гейзенберга, которое каждую частицу представляет в виде волнового

пакета, занимающего в пространстве область, размер которой зависит от энергии частицы (чем больше энергия, тем меньше объем области). Если пятое измерение свернуто в малую окружность, то для ее обнаружения должна быть велика энергия освещающих ее частиц. Ускорители дают пучки частиц, обеспечивающие разрешающую способность 10–18 м. Поэтому, если окружность в пятом измерении имеет меньшие размеры, ее пока нельзя обнаружить.

Как представить себе пятимерное пространство? Представим линию бесконечной длины, с каждой точкой которой связана окружность, нечто вроде бесконечного цилиндра. Одномерная линия и одномерная окружность порождают двухмерный цилиндр. Четырехмерную конструкцию можно представить из двухмерной плоскости и двухмерной сферы. Далее, пятимерное пространство порождено окружностью и обычным четырехмерным пространством, т.е. объединением сферы и пространства– времени. Длина окружности в пятом измерении, приводящая к образованию частиц в теории Калуцы, очень мала: около 10–32 м! Но работы по многомерным теориям и реальности выводов из них продолжались. Так, советский профессор Ю.Б.Румер (свою научную деятельность он начал еще у М.Борна во время создания квантовой механики, общался со всеми великими физиками нашего века, в том числе с Эйнштейном, последние 30 лет работал в Новосибирске) в своей пятимерной теории показал, что пятому измерению можно придать смысл действия. Тут же появились попытки представить наглядно это пятимерное пространство, как ранее пытались представить четырехмерное пространство–время, введенное Эйнштейном. Одна из таких попыток — гипотеза о существовании «параллельных» миров. Четырехмерное изображение мяча представить было несложно: это совокупность его изображений в каждой временной точке — «труба» из мячей, которая тянется из прошлого в будущее. А пятимерный мяч — это уже поле, плоскость из абсолютно одинаковых миров. Во всех мирах, имеющих от трех до пяти измерений, даже одна причина, хотя бы случайная, может породить несколько следствий.

Шестимерная Вселенная, построенная выдающимся советским авиаконструктором Л.Р.Бартини, включает три пространственных измерения и три — временных. У него длина времени — длительность, ширина — количество вариантов, высота — скорость времени в каждом из возможных миров.

Теория квантовой гравитации должна была соединить ОТО и квантовую механику. Эйнштейн считал, что «процесс углубления теории не имеет границ», но большинство его современников считало этот поиск единой теории результатом его квазирелигиозных склонностей. Во Вселенной, подчиненной законам квантовой гравитации, кривизна пространства–времени и его структура должны флуктуировать, квантовый мир никогда не находится в покое. И понятия прошлого и будущего, последовательность событий в таком мире тоже должны быть иными. Возможно, эти изменения существуют, но пока не обнаружены, так как квантовые эффекты проявляются в исключительно малых масштабах.

82

В 50-е годы Р.Фейнман, Ю.Швингер и С.Томогава	Теории супергравитации используют многомерные
(Нобелевская премия по физике, 1965 г.) независимо друг	построения, свойственные геометрическому подходу при
от друга создали квантовую электродинамику, связав	построении ОТО. Можно построить мир из разного числа
квантовую механику с релятивистскими представлениями	измерений (используют 11- и 26-мерные модели), но 11 наи-
и объяснив многие эффекты, полученные при исследовании	более интересно и красиво с математической точки зрения:
атомов и их излучений. Затем была разработана теория	7 — минимальное число скрытых измерений пространства–
слабых взаимодействий и показано, что электромагнетизм	времени, которые допускают включение в теорию трех
можно объединить математически только со слабым взаи-	негравитационных сил, а 4 — обычные измерения прост-
модействием. Пакистанский физик-теоретик Салам, один	ранства–времени. Четыре известных взаимодействия
из авторов теории слабого взаимодействия, писал: «Секрет	рассматривают как геометрические конструкции, имеющие
достижения Эйнштейна состоит в том, что он осознал	более пяти измерений.
фундаментальное значение заряда в гравитационном взаи-	Теория суперструн разрабатывается с середины 80-х
модействии. И пока мы не поймем природу зарядов в	наряду с супергравитацией. Эту теорию начали развивать
электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях так	английский ученый М.Грин и американский ученый
же глубоко, как это сделал Эйнштейн для тяготения,	Дж.Шварц. Они сопоставили частицам вместо точки одно-
надежды на успех в окончательной унификации мало… Мы	мерную струну, помещенную в многомерное пространство.
хотели бы не только продолжить попытки Эйнштейна, в	Эта теория, заменив точечные частицы крошечными
которых ему не удалось преуспеть, но и включить в эту	энергетическими петлями, устранила абсурдности, возни-
программу остальные заряды». Возродился интерес к	кающие при расчетах. Космические струны — это экзоти-
многомерным теориям, и вновь стали обращаться к работам	ческие невидимые образования, порожденные теорией
Эйнштейна, Бергмана, Калуцы, Румера, Йордана. В работах	элементарных частиц. В этой теории отражена иерар-
советских физиков (Л.Д.Ландау, И.Я.Померанчук,	хичность понимания мира — возможность того, что не
Е.С.Фрадкин) выяснилось, что при расстояниях 10–33 ñì â	существует окончательного основания для физической
квантовой электродинамике появляются неустранимые	реальности, а есть только последовательность все меньших
противоречия (расходимости, аномалии, все заряды обра-	и меньших частиц. Существуют и очень массивные частицы,
щаются в нуль). Многие ученые работали над идеями	и около тысячи частиц без массы. У каждой струны, имею-
создания единой теории, среди них выделяются С.Вайнберг,	щей планковский размер (10–33 см), при этом может быть
А.Салам и Ш.Глэшоу, лауреаты Нобелевской премии по	бесконечно много типов (или мод) колебаний. Как вибрация
физике 1979 г. Они показали, что электромагнетизм и	струн скрипки порождает различные звуки, так и вибрация
слабое ядерное взаимодействие можно считать прояв-	этих струн может генерировать все силы и частицы.
лением некоей «электрослабой» силы и что истинные	Суперструны позволяют понять киральность (греч. cheir
носители сильного взаимодействия — кварки. Созданная	«рука»), тогда как супергравитация не может объяснить
теория — квантовая хромодинамика — построила протоны	разницы между левым и правым — в ней поровну частиц
и нейтроны из кварков и сформировала стандартную модель	каждой направленности. Теория суперструн, как и супер-
элементарных частиц.	гравитации, связана не с опытом, а с более характерным
Еще Планк отметил фундаментальную роль величин,	для математики устранением аномалий и расходимостей.
составленных из трех констант, определяющих основные	Американский физик Э.Виттен заключил, что теория
теории — СТО (скорости света ñ), квантовую механику	суперструн — основная надежда на будущее физики, она
(постоянной Планка h) и теорию тяготения Ньютона (грави-	не только учитывает возможность силы тяжести, она
тационной постоянной G). Из их комбинации можно полу-	утверждает ее существование, и тяжесть — есть следствие
чить три величины (планковские) с размерностями массы,	теории суперструн. Его технология, заимствованная из
времени и длины. Планковская длина, например, 10–33 ñì,	топологии и теории квантового поля, позволяет открывать
т.е. совпадает с критическим расстоянием, на котором	глубокие симметрии между запутанными узлами высокой
теряет смысл квантовая электродинамика. Но, как ука-	мерности. Была зафиксирована размерность, соответству-
зывалось выше, сейчас определена геометрия лишь на	ющая относительно непротиворечивой теории, она равна
расстояниях 10–16 см, которые больше планковских на	506. (За 1981–1990 гг. Виттен опубликовал 96 статей по
17 порядков величины! Но объединение взаимодействий	теории суперструн, и они цитировались 12105 раз другими
нужно для устранения в теории расходимостей и анома-	физиками — пока недосягаемый рекорд цитируемости.)
лий — проблему составляло определение частиц как точек	С помощью теории суперструн можно объяснить «клоч-
и искажение ими пространства–времени. И его стали искать	коватость» распределения вещества во Вселенной. Супер-
с помощью идей более высоких симметрий. Эти идеи	струны — это нити, оставшиеся от вещества только что
получили «второе дыхание» в 80-х в теориях Великого	родившейся Вселенной. Они невероятно подвижны и плот-
объединения (ÒÂÎ) è супергравитации. ТВО — это теория,	ны, искривляют пространство вокруг себя, образуют клубки
позволяющая объединить все взаимодействия, кроме гра-	и петли, причем массивные петли могли бы создавать
витационного. Если удастся объединить с ней и грави-	гравитационное притяжение, достаточно сильное, чтобы
тационное взаимодействие, то получится Теория Всего	зарождались элементарные частицы, галактики и скоп-
Сущего (ТВС). Тогда мир будет описываться единообразно.	ления галактик. К 1986 г. опубликовано много работ по
Поиск такой «суперсилы» продолжается.	космическим струнам, хотя сами они до сих пор не обна-
	ружены. Найти суперструны считают возможным по ис-

83

кривлению пространства, которое они вызывают, действуя как гравитационная линза, или по испускаемым ими гравитационным волнам. Эволюцию суперструн разыгрывают на компьютерах, и на экране дисплея возникают картины, соответствующие наблюдаемым в космосе, — там тоже образуются волокна, ñëîè è гигантские пустоты, в которых практически нет галактик.

Это необычайное сближение космологии и физики элементарных частиц в последние 30 лет дало возможность разобраться в сути процессов рождения пространства– времени и вещества в коротком интервале от 10–43 äî 10–35 ñ

после первичной сингулярности, называемой Большим Взрывом. Число размерностей 10 (супергравитация) или 506 (теория суперструн) — не окончательно, могут появиться и более сложные геометрические образы, но непосредственному обнаружению множество дополнительных размерностей недоступно. Истинная геометрия Вселенной, вероятно, не имеет трех пространственных измерений, что характерно лишь для нашей Метагалактики — наблюдаемой части Вселенной. И все они, кроме трех, в момент Большого Взрыва (10–15 млрд лет назад) свернулись до планковских размеров. На больших расстояниях (до размеров Метагалактики 1028 см) геометрия евклидова и трехмерна, а на планковских — неевклидова и многомерна. Считают, что разрабатываемые сейчас Теории Всего Сущего (ТВС) должны объединить описания всех фундаментальных взаимодействий между частицами.

Совпадение предмета исследований изменило сложившуюся методологию наук. Астрономия считалась наблюдательной наукой, а ускорители — инструментом в физике элементарных частиц. Теперь стали строить предположения о свойствах частиц и их взаимодействиях в космологии, и проверить их стало возможным уже для нынешнего поколения ученых. Так, из космологии следует, что число фундаментальных частиц должно быть невелико. Это предсказание относилось к анализу процессов первичного синтеза нуклонов, когда возраст Вселенной составлял около 1 с, и сделано было в то время, когда казалось, что достижение больших мощностей на ускорителях приводит к увеличению числа элементарных частиц. Если бы частиц было много, Вселенная была бы сейчас иной.

Проверить теорию элементарных частиц должен был сверхпроводимый суперколлайдер диаметром в 75 км. Его хотели было построить в США (даже потратили 2 млрд долларов и прорыли в Техасе тоннель длиной 22 км), но Конгресс США отменил эти работы. Струны столь же малы по сравнению с протоном, как и протон по сравнению с размерами Солнечной системы. Для проверки теории суперструн нужно устройство, составляющее 1000 св. лет в окружности, и дальнейшее продвижение в проверке «ТВС» заморожено. Уязвимость теории суперструн в том, что пока она опирается лишь на эстетические суждения. С.Вайнберг в книге «Мечты об окончательной теории» (1993 г.) признал, что физикам, вероятно, придется полагаться на математическую ясность и последовательность как направляющие. Да и вряд ли эта теория будет иметь практическую ценность; она устранит парадоксы квантовой механики, но физики не смогут доказать, что эта теория является окон- чательной, как доказывают теоремы математики; для них

достаточно, что она работает, что дает результаты, подтверждаемые экспериментом.

Знакомясь с явлениями в простых системах и сопровождающими их взаимодействиями, будем искать и выделять общие правила, которым они подчиняются, выяснять их область приложения и пытаться применять их к более сложным системам. И огромная и сложная Вселенная предстанет в виде совокупности небольшого числа элементарных частиц, которые могут взаимодействовать только четырьмя способами и подчиняться небольшому числу фундаментальных законов. Однако при движении по пути познания мира все больше возникает вопросов и все труднее на них отвечать. Так, в неживой природе постоянно открывают все новые и новые субатомные частицы, и многие детали их поведения пока остаются неясными. Даже у кварков появляются не известные до сих пор качества. Где предел дробления материи и существует ли он? Что представляет из себя физический вакуум? Что есть частица

èкаково соотношение между реальными и виртуальными состояниями, когда частица начинает проявлять свойства волны, и можно ли уловить этот момент современными приборами? В физике большого и малого оказалось много удивительных совпадений, которые не могут быть поняты как чистые случайности или чистые закономерности. Можно проследить взаимные превращения порядка в хаос, рождение законов и упорядоченность хаоса, но возможно ли управление этими процессами?

Мы плохо представляем себе даже состав и строение внутренних областей Земли, хотя получены разнообразные сведения о составе, строении, движениях и жизненных циклах звезд и других небесных объектов. Человечество вышло за пределы атмосферы, на разных планетах побывали космические станции и лаборатории, на Землю доставлены обильная информация и образцы грунта других планет. Но мы не можем уверенно определить наличие жизни вне Земли, ничего не знаем о происхождении и границах Вселенной. Почему мир именно таков и каково будущее нашей планеты и нашей солнечной системы? В живой природе, как в целом, так и в отдельных организмах, круг неясного еще более широк. Нам известно многое об общих функциях различных органов и тканей, об их взаимодействии, но попытки описать функции этих органов через процессы в клетках далеки от желаемого завершения и понимания. Огромное внимание привлечено к проблеме изучения деятельности отдельной живой клетки

èфункций, выполняемых колоссальным количеством химических соединений, составляющих клетку, в которые входят более 1014 атомов. При целостном объяснении многих закономерностей в разных областях знания на первый план выходят проблемы симметрии неживой природы и асимметрии живой.

Возможно, при огромных значениях энергии все взаимодействия удадутся и получится Теория Всего Сущего (ТВС). Тогда мир будет описываться единообразно. Но что такое красивое и элегантное описание скажет о явлениях, придающих смысл нашей жизни? И может ли когда-нибудь такая теория быть подтверждена экспериментами, которые становятся невообразимо дорогими?!

84