Читать книгу "Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия - Митио Каку"

Чтобы разобраться в этом, нам нужно осмыслить основание квантовой теории — принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип, название которого звучит так невинно, гласит, что, какими бы чувствительными ни были инструменты, невозможно точно определить одновременно скорость и положение любой элементарной частицы, к примеру электрона. Здесь всегда присутствует квантовая размытость. Вырисовывается поразительная картина: на самом деле электрон представляет собой целый набор различных состояний, и каждое из них описывает электрон в какой-то конкретной точке и с какой-то конкретной скоростью. Эйнштейн ненавидел этот принцип. Он верил в «объективную реальность» — обычное бытовое представление о том, что объекты существуют в определенных конкретных состояниях и что точное положение и скорость любой частицы можно измерить.

Но квантовая теория говорит иначе. В зеркале вы видите себя не таким, какой вы на самом деле. Вы состоите из очень большого набора разных волн. Образ, который вы видите в зеркале, — это некое усреднение, наложение всех этих волн. Есть даже небольшая вероятность того, что некоторые из них распространяются на всю вашу комнату и дальше, в пространство. Некоторые волны, возможно, распространяются до Марса или даже дальше. (Мы любим задавать нашим аспирантам задачу на расчет вероятности того, что некоторые из их волн доходят до Марса и что однажды утром они, встав с постели, смогут ступить прямо на поверхность Красной планеты.)

Эти волны называют «квантовыми поправками» или «квантовыми флуктуациями». В обычных условиях эти поправки малы, так что бытовые представления, основанные на здравом смысле, прекрасно работают, — ведь мы представляем собой наборы атомов и видим только усредненные образы. Но на субатомном уровне квантовые поправки могут быть большими, так что электроны могут находиться в нескольких точках одновременно и существовать в параллельных состояниях. Ньютон был бы шокирован, если бы ему объяснили, что электроны в транзисторах могут существовать в параллельных состояниях. Именно квантовые поправки делают возможной современную электронику. Так что если бы мы могли каким-то образом отключить квантовую размытость, все наши чудеса техники перестали бы работать и общество оказалось бы отброшено почти на 100 лет назад, в доэлектрическую эпоху.

К счастью, физики могут рассчитать квантовые поправки для субатомных частиц и сделать для них предсказания (некоторые сбываются с невероятной точностью, до одной десятитриллионной). Квантовая теория настолько точна, что ее, вероятно, можно считать самой успешной теорией всех времен. Ничто не может соперничать с ней, когда речь идет об обычном веществе. Возможно, это и впрямь самая безумная теория в истории, неслучайно Эйнштейн сказал, что чем успешнее становится квантовая теория, тем она становится страннее. Но в ее пользу говорит один факт: она безусловно верна.

Принцип неопределенности Гейзенберга вынуждает нас заново оценить все, что мы знаем о реальности. Один из результатов такого анализа состоит в том, что черные дыры на самом деле не могут быть черными. Квантовая теория гласит, что чистая чернота должна иметь квантовые поправки, так что черные дыры на самом деле серые. (А еще они испускают слабое излучение, известное как излучение Хокинга.) Во многих учебниках говорится, что в центре черной дыры, или в начале времен, имеется «сингулярность» — точка с бесконечным тяготением. Но бесконечное тяготение нарушает принцип неопределенности. (Иными словами, никакой «сингулярности» не существует; это просто слово, которое мы придумали, чтобы замаскировать свое незнание того, что происходит, когда не работают уравнения. В квантовой теории тоже нет сингулярностей, поскольку там есть размытость, не позволяющая нам точно узнать положение черной дыры.) Также часто говорят, что чистый вакуум — это чистое «ничто». Концепция «нуля» нарушает принцип неопределенности, так что никакого чистого «ничто» не существует. (Вакуум — это кипящий котел постоянно возникающих и исчезающих виртуальных частиц вещества и антивещества.) И абсолютного нуля — температуры, при которой прекращается всякое движение, — тоже не существует. Даже при приближении к этой температуре атомы продолжают слегка колебаться, сохраняя так называемую энергию нулевых колебаний.

Однако, пытаясь сформулировать квантовую теорию гравитации, мы сталкиваемся с проблемой. Квантовые поправки к теории Эйнштейна описываются частицами, которые мы называем «гравитонами». Точно так же, как фотон — это частица света, гравитон — это частица гравитации. Гравитоны настолько неуловимы, что еще никому не удавалось увидеть их в лаборатории. И все же физики уверены, что они существуют, поскольку без них не обходится ни одна квантовая теория гравитации. Однако, когда мы пытаемся проводить вычисления с учетом гравитонов, квантовые поправки оказываются бесконечными. Квантовая гравитация усеяна поправками, которые нарушают работу уравнений. Эту проблему пытались решить многие великие физики, но все они потерпели неудачу.

Так что одна из целей современной физики — создать квантовую теорию гравитации, где квантовые поправки конечны и вычислимы. Иными словами, теория гравитации Эйнштейна разрешает формирование кротовых нор, которые когда-нибудь, возможно, обеспечат нас короткими маршрутами по Галактике. Но теория Эйнштейна не может сказать, стабильны эти кротовые норы или нет. Чтобы рассчитать квантовые поправки, нам нужна теория, в которой принципы относительности сочетались бы с квантовыми принципами.

Теория струн

До сих пор главным (и единственным) кандидатом на решение этой проблемы является так называемая теория струн, которая гласит, что все вещество и вся энергия во Вселенной состоят из ультрамикроскопических струн. Каждое колебание струны соответствует определенной субатомной частице. Так что электрон на самом деле не точечная частица. Будь у нас супермикроскоп, мы увидели бы, что это вообще не частица, а колеблющаяся струна. Электрон представляется нам элементарной и точечной частицей только потому, что струна такая крохотная.

Если струна колеблется на другой частоте, она соответствует другой частице — какому-нибудь из кварков, мю-мезону, нейтрино, фотону и т. д. Вот почему физики открыли такое странное — и нелепое — число субатомных частиц. Их сотни, и все они различные колебания крохотной струны. Таким способом теория струн может объяснить квантовую теорию субатомных частиц. Согласно теории струн, движение струны вынуждает пространство-время искривляться в точности так, как предсказывал Эйнштейн, поэтому она весьма удачно объединяет теорию Эйнштейна и квантовую теорию.

Это означает, что субатомные частицы в точности похожи на музыкальные ноты. Вселенная представляет собой струнную симфонию, физика — гармония этих нот, а «мысли Бога», в которые так жаждал заглянуть Эйнштейн, — космическая музыка, пробуждающая резонанс в гиперпространстве.

Каким образом теория струн изгоняет квантовые поправки, десятилетиями преследовавшие физиков? Дело в том, что в теории струн имеется так называемая суперсимметрия. Каждой частице соответствует суперпартнер — суперчастица, она же счастица. К примеру, суперпартнером электрона является сэлектрон, партнером кварка — скварк. Так что у нас два типа квантовых поправок — те, что исходят от обычных частиц, и те, что исходят от счастиц. Красота теории струн в том, что квантовые поправки, исходящие от этих двух наборов частиц, в точности компенсируют друг друга.