Этот переворот в нашем понимании Вселенной происходит ныне. И сейчас, когда я пишу эти строки, приходят сообщения о новых успехах и открытиях в исследовании тех вопросов, о которых пойдет речь в дальнейшем. Преждевременно объявлять новые смелые идеи твердо установленными, но общее представление быстро получает признание ученых, работающих в области фундаментальной физики. Я написал эту книгу, желая поделиться с широкой общественностью тем восхищением и энтузиазмом, которые вызывают у меня поразительные достижения современной физики. Хотя многие из ее концепций трудны для понимания и далеки от повседневных реалий, я старался излагать их по возможно и непринужденно, языком, доступным для неспециалиста.
Работая над книгой, я продолжал с пользой для себя многочисленные плодотворные дискуссии с друзьями и коллегами.
Многое в содержании книги отражает прекрасные мысли и суждения, рожденные в этих беседах. Я особенно признателен моим ближайшим коллегам по университету в Ньюкасле Стивену Беддингу и Иану Моссу, оказавшим мне большую помощь в выяс-нении технических деталей. Существенную помощь и информацию я получил также от Алана Гута и проф. Мартина Риса.
В книге нередко встречаются очень большие и очень малые числа. Для их записи удобнее пользоваться специальными обозначениями степеней числа 10:
10^n означает единицу, за которой следует n нулей.
Например,
один миллион = 10^6= 1 000 000
один миллиард = 10^9 = 1 000 000 000
один триллион = 10^12 = 1 000 000 000 000.
Аналогичным образом,
10^-n означает единицу, деленную на 10n.
Например,
одна миллионная = 10^-6 = 1/1 000 000
одна миллиардная == 10^-9 == 1/1 000 000 000
дна триллионная == 10^-12 == 1/1 000 000 000 000
и т.д.
1. Вселенная раскрывает свои тайны
Рождение Вселенной и поиск суперсилы
Рассказы о приключениях любят все. Одна из самых захватывающих приключенческих историй всех времен развертывается ныне в таинственном мире фундаментальной физики. Действующие лица ее – ученые, а цель их поисков превосходит самое смелое воображение: речь идет не больше и не меньше как о “ключе” к Вселенной.
Важнейшее научное открытие нашего века состоит в том, что окружающий нас физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.
У истоков этих драматических событий лежит ряд существенных открытий, сделанных за последнее десятилетие в фундаментальной физике, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления 'полученных результатов. Тон задают две новые Концептуальные схемы: так называемая Теория вeликoгo oбъeдинени (ТВО) и суперcиммeтрия. Эти научные направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсила, проявляющейся в различных “ипостасях”. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила – нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал.
Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления природы в рамках единой описательной схемы.
Поиск суперсила можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм—тесно связанные явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об успехе этого описания можно судить по тому колоссальному влиянию, которое оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие необыкновенные результаты удалось бы получить на основе подобного объединения?
Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая Эйнштейном попытка создать единую теорию электромагнитного и гравитационного полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию единой теории поля произошло только в конце 60-х годов нашего столетия, когда было показано, что математически электромагнетизм можно объединить с одной из ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку; наиболее эффективной из них было предсказание новой разновидности света, состоящего не из обычных фотонов, а из загадочных Z-частиц. В 1983 г. в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, расположенном в окрестностях Женевы, Z-частицы были, наконец, обнаружены—и единая теория поля получила блестящее подтверждение.
К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями еще один тип ядерных сил – сильное взаимодействие. Одновременно были получены и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории,
Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10^-32 с, и эта мгновенная ее упорядоченность включала переход от десяти пространственных измерений к трем, сохранившимся до настоящего времени. Именно в ту эпоху Вселенная могла оказаться запертой в “космической ловушке”, что обеспечило генерацию из ничего огромных количеств энергии.
Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает Вселенную.
Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе способна объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению. Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей окружающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие строго соответствуют правилам, вытекающим из законов природы. Их оппоненты отрицают это.
Этот решающий выбор встал перед физикой более остро, чем перед какой-либо другой наукой, отчасти потому, что она является “фундаментальной” наукой. Именно физику надлежит раскрыть природу пространства и времени, фундаментальное строение вещества и действие сил, формирующих объекты, которые вкупе мы и называем Вселенной. Конечная цель физики заключается в том, чтобы объяснить, из чего построен мир, что “скрепляет” его части и как он действует. Если какая-либо часть мира – прошлое, настоящее или будущее – не вписывается в эту программу, то именно у физика это скорее всего вызовет тревогу.
