Уравнение Бога. В поисках теории всего
Митио Каку
«Уравнение Бога» – это увлекательный рассказ о поиске самой главной физической теории, способной объяснить рождение Вселенной, ее судьбу и наше место в ней. Знаменитый физик и популяризатор науки Митио Каку прослеживает весь путь удивительных открытий – от Ньютоновой революции и основ теории электромагнетизма, заложенных Фарадеем и Максвеллом, до теории относительности Эйнштейна, квантовой механики и современной теории струн, – ведущий к той великой теории, которая могла бы объединить все физические взаимодействия и дать полную картину мира. Уже более полувека физики разных стран не могут достичь этой грандиозной цели. Правильный ли путь они избрали? Есть ли «свет в конце тоннеля»? Об этом – новая книга Митио Каку.
Митио Каку
Уравнение Бога. В поисках теории всего
Переводчик Наталья Лисова
Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ.?мат. наук
Редактор Вячеслав Ионов
Издатель П. Подкосов
Руководитель проекта И. Серёгина
Ассистент редакции М. Короченская
Корректоры Е. Рудницкая, Е. Сметанникова
Компьютерная верстка А. Фоминов
Дизайн обложки Ю. Буга
Фото на обложке NASA
© Michio Kaku, 2021
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2022
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
* * *
Моей любящей жене Сицзуэ и дочерям,
д-ру Мишель Каку и Элисон Каку
Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время». Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель». Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru (http://ziminbookprojects.ru/).
Введение в окончательную теорию
Эта теория должна была стать окончательной, эдакой универсальной основой, которая объединяет все силы космоса и объясняет все, начиная от движения расширяющейся Вселенной и заканчивая филигранным танцем элементарных частиц. Требовалось лишь найти уравнение, которое с математической четкостью описывало бы всю физику.
За поиски брались самые выдающиеся физики мира, включая и Стивена Хокинга, который даже сделал доклад с многообещающим названием «Близок ли конец теоретической физики?».
В случае успеха такая теория стала бы подлинным венцом науки. Осуществилась бы заветная цель физики – создание единственной формулы, из которой, в принципе, можно вывести уравнения для всех состояний Вселенной, от начала мира до его конца. Это был бы конечный результат научных исследований, которые ведутся вот уже 2000 лет с той поры, когда у древних возник вопрос: как устроен этот мир?
От одной мысли об этом захватывает дух.
Мечта Эйнштейна
Мне было восемь лет, когда я впервые узнал об этой мечте. Газеты сообщали о смерти великого ученого и публиковали незабываемую фотографию.
Это было фото рабочего стола ученого с раскрытым блокнотом. В подписи под ним говорилось, что величайший ученый нашего времени не смог завершить начатую работу. Я был поражен до глубины души. Какая задача может быть настолько сложной, что даже великий Эйнштейн не сумел решить ее?
В блокноте оказалась незавершенная теория всего – Эйнштейн называл ее единой теорией поля. Он хотел найти емкое и короткое уравнение, которое позволило бы, по его собственным словам, «читать мысли Бога».
Не в состоянии до конца оценить грандиозность подобной задачи, я решил пойти по стопам этого великого человека, надеясь внести хотя бы минимальный вклад в реализацию идеи.
Попыток решить эту задачу было немало, но все они закончились неудачей[1 - В прошлом многие гиганты физики пытались создать свою единую теорию поля, но потерпели неудачу. Сегодня мы понимаем, что единая теория поля должна удовлетворять трем критериям:она должна полностью включать в себя общую теорию относительности Эйнштейна;она должна включать в себя Стандартную модель элементарных частиц;она должна давать конечные результаты.Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой теории, предложил в свое время вариант единой теории поля, который фактически до этого рассматривал Эйнштейн. Этот вариант не прошел, поскольку не сводился корректно к теории Эйнштейна и был не в состоянии объяснить уравнения Максвелла. (Кроме того, в нем отсутствовало какое бы то ни было описание электронов или атомов.)Вольфганг Паули и Вернер Гейзенберг тоже предлагали единую теорию поля, содержавшую поля фермионной материи, но она не поддавалась перенормировке и не включала в себя кварковую модель, которая появилась лишь несколько десятилетий спустя.Сам Эйнштейн исследовал целый ряд теорий, которые в итоге не оправдали надежд. По существу, он попробовал включить теорию Максвелла в свою теорию, обобщить метрический тензор на гравитацию и сделать так, чтобы символы Кристоффеля включали в себя антисимметричные тензоры. Но эта попытка не удалась. Чтобы объяснить уравнения Максвелла, оказалось недостаточно просто расширить номенклатуру полей в оригинальной теории Эйнштейна. Кроме того, в этом подходе вовсе не упоминалась материя.За многие годы было сделано немало попыток просто добавить к уравнениям Эйнштейна материальные поля, но все они, как было показано, расходятся на однопетлевом квантовом уровне. Мало того, при помощи компьютеров было рассчитано рассеяние гравитонов на однопетлевом квантовом уровне и показано, что оно несомненно ведет к бесконечным результатам. До сих пор единственный известный способ устранения этих бесконечностей на самом низком однопетлевом уровне заключается в использовании суперсимметрии.Более радикальную идею предложил еще в 1919 г. Теодор Калуца, который представил уравнения Эйнштейна в пяти измерениях. Примечательно, что при сворачивании одного измерения в крохотное колечко поле Максвелла оказывается сопряженным с гравитационным полем Эйнштейна. Этот подход Эйнштейн тоже изучал, но потом оставил, потому что никто не понимал, как свернуть измерение. В более близкое к нам время этот подход был включен в теорию струн, которая сворачивает десять измерений до четырех и в процессе этого генерирует поле Янга – Миллса. Так что из множества подходов к созданию единой теории поля единственный уцелевший до сего дня путь – это многомерный подход Калуцы, причем обобщенный так, чтобы включать суперсимметрию, суперструны и супермембраны.Не так давно появилась еще одна теория, получившая название теории петлевой квантовой гравитации. Она предлагает новый путь к исследованию первоначальной четырехмерной теории Эйнштейна. Однако это теория чистой гравитации, без электронов и элементарных частиц, поэтому ее нельзя квалифицировать как единую теорию поля. В ней не упоминается Стандартная модель, потому что нет материальных полей. Кроме того, неясно, является ли рассеяние мультипетель в этой модели по-настоящему конечным. Есть предположение, что столкновение двух петель дает расходящиеся результаты.]. Как заметил однажды принстонский физик Фримен Дайсон, дорога к единой теории поля усеяна останками неудачных попыток.
Впрочем, сегодня многие ведущие физики считают, что мы наконец приблизились к решению.
Главный (а на мой взгляд, и единственный) кандидат на роль теории всего называется теорией струн, которая утверждает, что Вселенная состоит не из точечных частиц, а из крохотных колеблющихся струн, каждая нота которых соответствует элементарной частице.
Если бы у нас был достаточно мощный микроскоп, мы увидели бы, что электроны, кварки, нейтрино и т. п. представляют собой не что иное, как колебания крохотных нитей, напоминающих натянутую резинку. Если дергать такую резинку по-разному достаточное число раз, то в итоге мы получим все известные элементарные частицы Вселенной. Это означает, что все законы физики могут быть сведены к гармониям таких струн. Химия – это мелодии, которые можно сыграть на струнах. Вселенная – это симфония. А мысли Бога, о которых так красноречиво писал Эйнштейн, – это космическая музыка, резонирующая в пространстве-времени.
И вопрос это не только академический. Каждый раз открытие новых законов физики меняет ход развития цивилизации и судьбу человечества. Так, Ньютоновы законы движения и тяготения заложили основу для века машин и промышленной революции. Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл заложили основы теории электричества и магнетизма, что позволило нам осветить города, создать мощные электрические моторы и генераторы, а также такие средства связи, как телевидение и радио. Эйнштейнова формула E = mc
объяснила, откуда черпают энергию звезды, и помогла овладеть энергией атома. Создатели квантовой механики Эрвин Шрёдингер и Вернер Гейзенберг вместе с другими физиками положили начало сегодняшней высокотехнологической революции с суперкомпьютерами, лазерами, интернетом и потрясающими гаджетами в наших гостиных.
В конечном итоге все чудеса современных технологий – это результат открытий ученых, изучавших фундаментальные взаимодействия нашего мира. В настоящее время наука, похоже, близка к созданию теории, которая объединит все четыре силы природы – гравитацию, электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия. В итоге это позволит разгадать такие величайшие загадки науки, как:
? Что происходило до Большого взрыва? Почему вообще произошел этот взрыв?
? Что находится с другой стороны черной дыры?
? Возможны ли путешествия во времени?
? Существуют ли кротовые норы, которые ведут в другие вселенные?
? Существуют ли более высокие измерения?
? Существует ли мультивселенная, состоящая из множества параллельных вселенных?
Эта книга повествует о поисках окончательной теории и о невероятных событиях одной из самых удивительных страниц истории физики. Мы вспомним открытия прошлого, давшие начало чудесам технологий, – от Ньютоновой революции и изучения электромагнетизма, осмысления теории относительности и квантовой механики до современной теории струн. Мы объясним, что эта теория даст для решения величайших загадок пространства и времени.
Армия критиков
Однако на этом пути еще много препятствий. При всем энтузиазме, который вызвала теория струн, есть немало критиков, не упускающих случая, чтобы указать на ее недостатки. И в какой-то момент, после всей шумихи и ажиотажа, реальный прогресс застопорился.
Самая очевидная проблема состоит в том, что, несмотря на лестные репортажи прессы, расписывающие красоту и сложность этой теории, надежных и проверяемых доказательств у нас нет. Надежды на то, что Большой адронный коллайдер (БАК) близ Женевы в Швейцарии – крупнейший в истории ускоритель частиц – поможет получить конкретные свидетельства в пользу окончательной теории, не оправдываются. С помощью БАКа удалось обнаружить бозон Хиггса (или, как его иногда называют, частицу Бога), но эта частица – лишь одно из многих недостающих крохотных звеньев окончательной теории.
Хотя сегодня и выдвигаются амбициозные предложения построить еще более мощный ускоритель – преемник БАКа, нет никаких гарантий, что подобные дорогостоящие установки смогут вообще что-то найти. Никто не знает наверняка, при какой энергии мы обнаружим новые элементарные частицы, способные подтвердить теорию.
Но, пожалуй, наиболее серьезную критику теории струн вызывает то, что она предсказывает существование мультивселенной, состоящей из множества вселенных. Эйнштейн однажды сказал, что ключевой вопрос звучит так: был ли у Бога выбор при сотворении Вселенной? Единственна ли наша Вселенная? Сама по себе теория струн единственна, но, видимо, у нее бесконечное множество решений. Тот факт, что наша Вселенная может представлять собой лишь одно из бесчисленных равноценных решений, физики называют проблемой ландшафта. Если наша Вселенная – одна из множества возможных, то которая из возможных вселенных наша? Почему мы живем именно в этой вселенной, а не в другой? В чем же тогда заключается прогностическая сила теории струн? Что это – теория всего или теория чего угодно?
Признаюсь, что я тоже принимаю участие в этом поиске. Я работаю над теорией струн с 1968 г., с момента ее появления – случайного, необъявленного и совершенно неожиданного. Я был свидетелем невероятной эволюции этой теории, развившейся из одной-единственной формулы в дисциплину, исследовательские работы по которой составляют целую библиотеку. Сегодня теория струн используется как основа для многих новых исследований, над которыми работают в ведущих лабораториях мира. Надеюсь, эта книга дает взвешенный и объективный анализ теории струн, ее прорывных открытий и недостатков.
Она объясняет также, почему этот поиск захватил воображение самых известных ученых мира и почему теория струн порождает такие страсти и противоречия.
1
Объединение – древняя мечта
Сияющее великолепие ночного неба с бесчисленными звездами наполняет нас восторгом. Мысли поневоле обращаются к величайшим загадкам.
Соответствует ли Вселенная какому-то общему замыслу?
Как мы постигаем смысл бессмысленного, казалось бы, космоса?
Есть в нашем существовании гармония и причина – или все это надуманно?
Мне вспоминается стихотворение Стивена Крейна:
Человек сказал Вселенной:
– Смотри! Я существую!
– Да, – ответила Вселенная. – Но сей факт еще не означает,
Что я должна о тебе заботиться[2 - Перевод А. Кудрявицкого.].
Греки одними из первых всерьез попытались упорядочить хаос окружающего мира. Философы, например Аристотель, считали, что все вокруг может быть сведено к сочетанию четырех основных компонентов: земли, воздуха, огня и воды. Но каким образом из четырех элементов складывается столь сложный мир?
Греки предлагали минимум два ответа на этот вопрос. Первый ответ еще до Аристотеля дал философ Демокрит. Он считал, что все вокруг состоит из крохотных, невидимых и неразрушимых частиц, так называемых атомов (что по-гречески означает «неделимые»). Критики, однако, указывали, что прямые доказательства их существования получить невозможно, так как атомы слишком малы для непосредственных наблюдений. Но Демокрит сумел привести убедительные косвенные свидетельства.
Возьмем, например, золотое кольцо. С годами оно изнашивается. Что-то теряется. Каждый день с кольца стираются крохотные кусочки вещества. Следовательно, хотя атомы невидимы, об их существовании можно судить косвенным образом.
Даже сегодня наша продвинутая наука в основном опирается на косвенные свидетельства. Состав Солнца, детальную структуру ДНК, возраст Вселенной и многое другое мы знаем только благодаря непрямым измерениям. Мы знаем все это, хотя никогда не летали к звездам, не проникали в молекулу ДНК и не наблюдали Большой взрыв. Разница между прямыми и косвенными свидетельствами становится принципиально важной, когда мы говорим о попытках доказать единую теорию поля.
Второй подход предложил великий математик Пифагор.
К Пифагору пришло озарение, и он решил применить математическое описание к такому земному явлению, как музыка. По легенде, он заметил сходство между звуком, который производит струна лиры, и колебаниями, возникающими при ударе молотком по металлическому стержню. Он обнаружил, что и то и другое порождает музыкальные частоты определенного диапазона. Получилось, что нечто эстетически привлекательное, такое как музыка, берет свое начало в математике колебаний. Возможно, это наглядно показывает, что все разнообразие объектов вокруг нас должно подчиняться все тем же математическим правилам.
Итак, по крайней мере две великие теории нашего мира зародились в Древней Греции: идеи о том, что все состоит из невидимых и неразрушимых атомов, и о том, что все разнообразие природы можно описать с помощью математики колебаний.
К несчастью, с падением античной цивилизации подобные философские рассуждения и дебаты прекратились. Саму идею о возможности существования некой парадигмы, объясняющей Вселенную, забыли почти на тысячу лет. Тьма расползлась по всему западному миру, и место научных изысканий заняли суеверия, магия и колдовство.
