Читать книгу Миллион световых лет - Олег Страхов - Страница 7

В самом начале 20 века Альберт Эйнштейн своей общей и специальной теорией относительности перевернул представления людей о природе гравитации. Мы узнали, что она не является силой в привычном понимании, но представляет собой искривление самого пространства. В неискривленном пространстве фотон – квант света – летит строго по прямой. Но стоит фотону пролететь рядом с чем-нибудь тяжелым – звездой, черной дырой или целой галактикой, его траектория меняет направление, огибая массивный объект. Это происходит не потому, что его притягивает гравитация – фотон не имеет массы, поэтому будь гравитация именно силой, фотон игнорировал бы её. С точки зрения фотона, его траектория остается прямой, искривлено само пространство, в котором он летит. Для двумерной визуализации этого эффекта обычно используют натянутую ткань, в центр которой кладут какой-либо тяжелый объект, под весом которого ткань прогибается. Так же массивные объекты действуют на пространство-время, только они прогибают не двумерную, а четырехмерную (три пространственных измерения, плюс время) ткань пространства-времени. Огромный прорыв в понимании Вселенной, сделанный благодаря теории относительности, дал ученым надежду на скорое появление Теории Всего. Во Вселенной существуют четыре фундаментальных силы: гравитация, сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм. Теория относительности объяснила природу гравитации, квантовая механика объединила три оставшихся силы. Казалось бы, дело осталось за малым – объединить гравитацию с квантовой механикой, и мы получим универсальное уравнение, описывающее любое физическое явление во Вселенной. Однако, гравитация не спешила дружить с квантовой механикой – казалось, две теории абсолютно исключают друг друга. Весь 20-й, а затем и 21-й века прошли в безуспешных попытках объяснить природу Вселенной единым законом.

Головной боли физикам добавляли и белые пятна в космологии того времени. К примеру, расчеты показывали, что гравитация не способна удержать звезды в упорядоченных структурах галактик. Для поддержания самих галактик в стабильном состоянии нужно гораздо больше массы, чем наблюдалось. Физики не нашли ничего лучше, чем поставить на дырявой теории огромную заплатку и назвать ее темной материей. Согласно расчетам, во Вселенной должно было быть в пять раз больше темной материи, чем привычной нам – барионной. Что это за такая загадочная материя, которая никак себя не проявляет кроме, как гравитацией, но которой в пять раз больше, чем видимой материи? Этого никто не понимал. После открытия ускоряющегося расширения Вселенной головной боли у космологов стало еще больше. Невидимая и совершенно непонятная сила заставляет галактики разбегаться друг от друга с постоянно растущей скоростью. Силу, заставляющую вселенную расширяться, назвали темной энергией, о природе которой у физиков не было вообще никаких идей. Очевидно, наши представления об устройстве мира в то время были очень и очень неполными, и с точки зрения человека из 46 века, люди 21-го века мало чем отличались от своих средневековых предков.

Первый шаг к созданию Теории Всего сделала в 2095, сама того не подозревая, японский математик Оки Сатори. Она по необъяснимым причинам интересовалась геометрией многомерных пространств – сферой сугубо теоретической, пригодной разве что для тренировки мозга. По крайней мере, все так думали. Возможно, Оки фантазировала о многомерных мирах, и ей хотелось понять, какие законы физики действовали бы в 5- или 8-мерном мире. Мы знаем лишь то, что на факультативных занятиях для своих одаренных студентов она регулярно брала какой-либо физический закон, выраженный в уравнении, и вместе со студентами высчитывала, как он будет работать в многомерном мире. В один прекрасный день Оки взяла уравнения теории относительности и просчитала, как они изменились бы в 10-мерном мире. Полученные уравнения давали картину весьма странного мира, в котором гравитация оказывалась в пять раз сильнее, чем в привычном нам трехмерном мире, причем гравитационное искривление пространства становилось неоднородным на разных масштабах. Удивившись причудливости полученного мира, Оки, довольная собой, вскоре благополучно забыла об этом математическом эксперименте. Но через несколько месяцев она увидела публикацию своего приятеля Игоря, физика из Хабаровска, о новой интерпретации теории суперструн. Его версия не претендовала на звание Теории Всего, так как требовала аж 10 пространственных измерений. Оки позвонила приятелю, чтобы поиронизировать на тему своего недавнего интереса к 10-мерным мирам. Игорь хоть и счел это забавным (он считал себя единственным в мире чудаком, интересующимся многомерными мирами), но договорился с приятельницей ради интереса показать друг другу свои расчеты.

Математическая модель Оки, как оказалось, хорошо описала нашу Вселенную, и полученное уравнение не нуждалось в темной материи, чтобы заставить работать гравитацию. Если упростить, получилась следующая картина: теория относительности описывает гравитационное искривление трехмерного пространства. И работает безукоризненно на небольших с точки зрения астрономии масштабах. Но в масштабе галактик она требует добавления темной материи, чтобы всё работало. Уравнение Оки позволило выбросить из теории темную материю за ненадобностью, так как в десяти измерениях с ростом масштаба растет и количество дефектов пространства. То есть, на самых больших масштабах пространство искривляется намного сильнее и причудливее, чем в привычном нам трехмерном мире. Но мы уже знаем, что искривление пространства ощущается именно как гравитация. Также уравнение объяснило некоторые парадоксы теории относительности. Например, многие знают про гипотетические «червоточины» или «кротовые норы» – один из способов решения уравнений Эйнштейна. В десятимерной Вселенной кротовыми норами пронизано всё пространство-время, и они находятся в постоянном движении сквозь нее, оставаясь незамеченными для существ, ограниченных трехмерным мышлением. Такие микрочервоточины отлично объяснили эффект квантовой запутанности, который, казалось, нарушал следствия теории относительности. Из теории относительности следует, что ни материя, ни энергия, ни даже информация не могут двигаться быстрее скорости света, однако два спутанных между собой кванта могут мгновенно передавать друг другу информацию, даже находясь в световых годах друг от друга. Оказалось, что взаимодействие происходит через микрочервоточины квантовых размеров, структура которых пролегает за пределами привычных нам трех пространственных измерений.

Новая теория смогла одинаково хорошо объяснить не только квантовые эффекты, но и природу гравитации на всех масштабах. После публикации ее подхватили многие мировые физики. Теория в последующие годы доказала свою жизнеспособность, описав многие из неразрешимых ранее проблем. Но пройдет еще очень много лет прежде, чем люди научатся использовать новое знание для дальних космических путешествий…