IX

IX

Продолжая поиски задачи для работы, я раздумывал над тем, что Фейнман говорил о короткой дороге. В чем моя сила? Я всегда имел больше склонности к математике, чем мои однокашники. А еще я был мятежный тип – меня привлекало все, что против общепринятой истины. Большая часть ученых на нашем этаже занималась, как и Фейнман, поиском лучших методов решения задач квантовой хромодинамики. Это направление было связано в основном с обычной математикой и считалось одной из важнейших задач современности.

Но был один профессор, Джон Шварц, чьи исследования привлекали довольно экзотическую математику и шли совершенно вне основного русла.

В природе известны четыре взаимодействия – электромагнитное, гравитационное, сильное и субъядерное, или слабое. У физиков есть теории, описывающие эти взаимодействия: квантовая электрослабого взаимодействия, обобщение квантовой электродинамики, описывающее и электромагнетизм, и слабые взаимодействия; общая теория относительности, которая не квантовая, описывающая гравитацию; и квантовая хромодинамика, описывающая сильные взаимодействия. Верование, что все природные явления могут быть объяснены фундаментальными физическими законами, называется редукционизмом. Вера в редукционизм популярна в физике и пересекает «генеральную линию партии» и у греков фасона Марри, и у вавилонян типа Фейнмана. Это означает, что большинство физиков верит: все во Вселенной – от рождения ребенка до рождения галактики – происходит в результате одного или нескольких фундаментальных взаимодействий. Исходя из того, что большинство физиков придерживается этого взгляда, развитие теорий четырех взаимодействий – едва ли не самая важная задача, за какую может взяться физик-теоретик. Шварц работал над единой теорией, которая, окажись она верной, включит в себя (и видоизменит) все эти теории. Его новая теория одним махом перепишет их все, заменит на одну всеобъемлющую.

Учитывая, насколько разные эти четыре взаимодействия, единая теория, описывающая их все, может показаться большой натяжкой. К примеру, электромагнитная сила может притягивать или отталкивать, а гравитационная – только притягивать. Сильное взаимодействие на малых расстояниях ослабевает, тогда как гравитационное и электромагнитное усиливаются. А еще у этих взаимодействий невообразимая разница в величинах: сильное в сотни раз мощнее электромагнитного, в тысячи – слабого, в миллиарды миллиардов миллиардов – гравитационного. Эти четыре силы играют разные роли в нашей жизни и в бытовании Вселенной. Гравитация, конечно, удерживает нас на Земле и отвечает за приливы и отливы. Но самое значимое влияние заметно в масштабах космоса. Из-за гравитации возникают и вращаются вокруг своих звезд планеты, пылают ядерные горнила внутри этих звезд, дающие свет и тепло, от которых рождается жизнь. А задолго до существования планет именно гравитационное сжатие заставило звезды уплотниться. Электромагнитная сила важна для нас в основном на атомном уровне. Электромагнитные взаимодействия между атомами и молекулами, к примеру, делают предметы вокруг видимыми, позволяют кислороду связываться с красными кровяными тельцами и не дают руке провалиться сквозь стену, когда мы на эту стену опираемся. Именно эта сила придает материалам их основные свойства. И укрощению этой силы, в основном в XX веке, мы обязаны большинством удобств современного мира: от электрического света до телефонов, радио, телевидения и компьютеров. Два других взаимодействия, сильное и слабое, управляют пространством, существующим в масштабах много меньших, чем даже атомный мир электромагнетизма: внутри ядер. Слабые взаимодействия – это радиоактивный распад ядра, называемый бета-распадом. Сильные взаимодействия – это атомная энергия. Именно эта сила, выпущенная из ядер, по массе равных трети унции урана, уничтожила город Хиросиму.

Как можно описать эти четыре силы одной теорией? У истории есть на эту тему урок: в некотором смысле сил – пять, но мы говорим о четырех, потому что первое объединение сил случилось очень давно. Речь о теориях электричества и магнетизма, своего рода приквеле современного приключения. Сказка такова: давным-давно (в VI веке до н. э.), в тридевятом царстве (Древней Греции), мудрый философ по имени Фалес изучал простейшие электромагнитные явления: магнетизм и статическое электричество. С его дней и до XIX века люди узнавали об электричестве и магнетизме все больше, но у них не возникало подозрения, что это нечто иное, нежели два отдельных класса явлений. Тяготение, электричество и магнетизм являли собой три известных силы природы. Но вот в 1820 году несколько ученых в разных частях Европы обнаружили, что провода с электрическим током имеют таинственные магнитные свойства. А это уже серьезный намек на связь между электричеством и магнетизмом, но никто не понимал толком, какова она, эта связь. В следующие несколько десятилетий все, что этим смертным удалось в описании наблюдаемых эффектов, оказалось мешаниной эмпирических законов. Однако в 1865 году шотландский физик ростом всего-то пять футов и четыре дюйма по имени Джеймс Клерк Максвелл, применив эту самую мешанину, пришел к чудодейственному набору уравнений. Всего несколько строк – и мир узрел, как из электрических разрядов и токов рождаются электрические и магнитные силы и, главное, как эти силы порождают друг друга. Максвелл, таким образом, вывел объединенную теорию двух из трех древних сил – электричества и магнетизма, или, как мы теперь это называем, электромагнетизма.

История к тому же показывает, что Максвеллово объединение – отнюдь не просто теоретическая красивость: изучение следствий его теории открыло революционные новые явления. К примеру, его уравнения вели к тому, что разряды, движущиеся с ускорением, могут производить волны электромагнитных полей. Эти волны всегда двигались с одной и той же скоростью, равной, по его расчетам, скорости света. Такой вывод подвигнул Эйнштейна к созданию специальной теории относительности. Стоило Максвеллу открыть, что свет есть электромагнитное явление, как стало очевидно: могут существовать и другие электромагнитные волны. А это, в свою очередь, проложило путь немецкому экспериментатору Генриху Рудольфу Герцу – он впервые сгенерировал радиоволны, что привело в итоге к разработке технологий радио, телевидения, радаров, спутникового сообщения, рентгена и микроволновок. В «Лекциях по физике» Фейнман писал: «…вряд ли можно сомневаться, что величайшим событием XIX века будут считать открытие Максвеллом законом электродинамики».

Физики называют теорию, объясняющую все силы природы разом, единой теорией поля. Оно стоит того – на минутку задуматься, что это означает. Чтобы теория стала объединенной, ей необходимо выйти за пределы характеристик отдельных сил и описать взаимодействия сил между собой, как удалось Максвеллу в отношении электрических и магнитных сил и их взаимного порождения.

Большинство физиков, ищущих единую теорию поля, требуют еще большего: они желают показать, как все силы природы рождаются из одной фундментальнейшей, хотят найти основополагающий принцип. И хотя экспериментальных подтверждений существования такой силы в природе (или ее отсутствия) маловато, они все равно стремятся к этой теории – из эстетических соображений или из веры, что ко всем природным законам должен существовать один ключ. Подобная единая теория стала бы окончательной победой физики в греческом стиле. Эйнштейн посвятил поиску такой теории большую часть жизни – годы после теории относительности, – постепенно отходя от основного русла физики, сосредоточенной в основном на более практических вопросах.

Помимо математической красоты и потенциального открытия новых физических явлений, объединенная теория поля к тому же обещает ответы на фундаментальные вопросы о том, почему мы вообще существуем. Именно равновесие всех четырех сил природы, их относительная мощь и различные свойства позволяют Вселенной быть такой, какой мы ее знаем. К примеру, представьте, что сила тяготения была бы не столь хилой по сравнению с сильными взаимодействиями. Тогда звезды сжимались бы и дальше, а их ядерное топливо выгорало бы гораздо быстрее, тем самым предотвращая эволюцию жизни. С другой стороны, если бы гравитация была много слабее, электромагнитное отталкивание не позволило бы звездам сконденсироваться. Если бы сильные взаимодействия не были настолько мощнее электромагнитных, большинство ядер распалось бы. А если бы количества электронов и протонов материи отличались от равновесного хотя бы на один процент, электромагнитная сила между вами и кем-нибудь в ярде от вас была бы мощнее земного тяготения. Силы природы не сопоставимы, но тонко сонастроены. Почему? Отдельные теории описывают индивидуальные силы, и лишь теория, охватывающая все взаимодействия, может ответить на этот основополагающий вопрос мироздания.

Эйнштейн взялся за поиск единой теории поля в ситуации до крайности невыгодной: сильные и слабые взаимодействия к тому времени еще не были известны. Но к 1981 году электромагнетизм и слабые взаимодействия уже были объединены в одну теорию, и у физиков появились соображения, как включить туда же и сильные взаимодействия. Искусительно оно, это движение к единой теории. Через тридцать лет после смерти Эйнштейна его поиск обрел новую популярность. В словарь физиков вошел термин «теория всего». Крупнейшее препятствие на пути к успеху, по всеобщему согласию, – гравитация. Физики не только не знали, как включить силу тяготения в единую теорию, но и для этой силы, даже отдельно взятой, по-прежнему не существовало квантовой теории. Ну или придется поверить Джону Шварцу. Шварц заявлял, что его теория может объединить все силы, даже гравитационную, в единую квантовую теорию.

Теория, которой был одержим Шварц, называлась струнной. Струны в этой теории с обычными, которые на музыкальные инструменты натягивают, мало чем связаны. Струны физикам первым предложил японец Ёитиро Намбу и американец Леонард Сасскинд в 1970 году. Суть состояла вот в чем: точечная частица может на самом деле быть крохотной колеблющейся струной. В чем смысл этой странной идеи? Поначалу казалось, что ее применение разрешит старую проблему экспериментаторов, открывавших все новые и новые частицы. Даже число кварков, при помощи которых Марри мог объяснить существование большого количества частиц гораздо меньшим их числом, за годы со времени их предположения пришлось серьезно увеличить. Поэтому-то изначальное обаяние струнной теории тесно связано с мыслью, в рождении которой в 1950-х поучаствовал Марри, еще даже до своих кварков: все эти частицы могут быть просто разновидностями одной и той же.

Струнная теория предполагает единый принцип, объединяющий в себе все силы, и одна основополагающая частица – струна. Ее свойства зависят от ее состояния колебаний – так же, как мода колебаний определяет звук скрипичной струны, но в этом случае колебательные состояния проявляются как разные частицы, а не звуки. Эта единая сущность – струна, – таким образом, отвечает за разнообразие частиц в природе и за силы, на которые они реагируют.

Математическая форма, в которую облеклась теория струн, всерьез намекала, что у этой теории есть все шансы на полное объединение сил, даже гравитационной. Некоторым – Шварцу, например, – это казалось чудом. Но то были всего лишь общие свойства теории, а не такие предсказания, какие можно проверить в лаборатории. А потому важнейший вопрос оставался открытым: верна ли струнная теория?

Может показаться, что проверить это легко. Надо лишь пристально вглядеться в частицу. Есть там крошечная трепещущая струна или нет? Но элементарные частицы так малы, что мы не можем их рассмотреть с достаточной точностью и увидеть их устройство. Причина тут такая же, как в случае с родинкой в виде скрипки у вас на носу: с большого расстояния она выглядит крошечной мушкой – как называла ее ваша мама. И все же наша неспособность впрямую проверить, сделаны ли частицы из струн, не означает, что теория, построенная на этом предположении, не имеет следствий. Предположим, вы смотрите на мою жизнь с большого расстояния – скажем, исходя из немногих встреч со мной по работе, но не как с другом. Вы могли бы подумать обо мне, что я говорю разумные вещи, у меня неплохие рекомендации, да еще и тепленькое местечко в Калтехе, а значит, я успешный, уверенный в себе малый. Но кто я в глубине души? Вот этого, с поправкой на наши отношения, вы, вероятно, определить не сумеете. Но сможете построить теорию. Читаю ли я дома на досуге Джейн Остен, или тихо вожусь в саду, или играю на скрипке? А может, я надираюсь мартини и пытаюсь удержать своего соседа-мусорщика от того, чтобы он не вышиб себе мозги? Безусловно, есть определенные обстоятельства, в которых поведение этих Леонардов из двух теорий разветвится, и, наблюдая меня в этих обстоятельствах, вы сможете уразуметь, какая ближе к истине. Так же и со струнами. Хотя мы с природой не настолько близки, чтобы напрямую проверить, из струн ли состоят частицы, вопрос заключается вот в чем: можно ли создать условия, при которых наблюдаемые следствия, предсказанные струнной теорией и не-струнной, войдут в противоречие? Придумать такой эксперимент – вот на что больше всего уповают струнники. К сожалению, никто пока до такого эксперимента не додумался. Теория оказалась слишком сложна математически.

Поскольку теоретики струн не знали, как сделать проверяемые предсказания, они придумали еще одну цель теории – хотя бы тактическую. Ее назвали постсказанием. В этом подходе задача стояла не предсказать новое явление, а объяснить при помощи струнной теории уже известное, но пока не понятое. Например, нам известны значения многих фундаментальных физических величин – масса кварка или заряд электрона, – но никто не знает, почему они именно таковы. У струнной теории был потенциал изменить ситуацию – добыть эти данные из ничего. Но и это пока никто не осилил.

За 1970-е годы мало какие потенции струнной теории претворились в жизнь. А потом открыли и кое-какие нестыковки. Все, включая Джона Шварца, поняли, что для устранения этих нестыковок потребуется еще одно математическое чудо. Шварц и крошечная группа его сотрудников так верили в истинность струнной теории, что взялись это чудо найти. По их мнению, математическая структура, которую они уже обнаружили, смутно обещала возможность включения в теорию гравитационной силы – уже математическое чудо, и они были готовы отдаться на волю своей теории, чтобы она сама привела их к следующему чуду. Остальные же просто махнули рукой.

Одна из трудностей струнной теории, которую Шварц не пытался разрешить, – проблема размерности пространства: струнная теория математически со всего тремя пространственными измерениями не согласуется. Струны в струнной теории имеют длину, ширину, высоту, но им потребны еще шесть дополнительных измерений, каких в реальном мире, похоже, не существует. Все не так плохо, как в моем методе с бесконечным числом измерений, но эти дополнительные измерения продуктом метода математического приближения не были. Согласно теории струн, дополнительным измерениям положено быть настоящими. Теоретики-струнники «разрешили» эту трудность, математически подстроив теорию так, чтобы эти шесть дополнительных измерений были, как и сами струны, такими крошечными, что их совершенно естественно не замечать и, вообще-то, по сути невозможно определить.

Представим, что мы живем в двухмерном мире – скажем, на поверхности Земли, а тут вдруг физик говорит: эй, смотри, есть еще одно измерение, вверх-вниз, а мы-то и не знали. Возникает вопрос: как же это мы не замечали нечто столь очевидное – еще одно измерение? Если это «вверх – вниз» существует и впрямь, можно прыгать или кидать мяч вверх. Прыгать можно, отвечает физик, но это измерение такое маленькое, что в прыжке ты поднимешься над землей всего на малюсенькую долю миллиметра. Такой вот жалкий будет прыжок, что ты и не заметишь отрыва от земли.

Для некоторых – немногих – потребность теории струн в дополнительных измерениях сама по себе представляет великое открытие, подобное квантовому принципу Планка или прозрению Эйнштейна о взаимосвязи пространства-времени. Этим немногим струнная теория ставила вдохновляющую задачу: найти косвенное, но количественно определяемое следствие этих дополнительных измерений (продолжая при этом работать над устранением других неувязок теории). Но даже в Калтехе большинство физиков реагировало на Шварца так, будто он предложил всем перебраться в Неваду, к тайной команде исследователей инопланетян в Зоне-51[8].

Константин был из большинства. Я пришел к нему и застал его за рабочим столом, в кабинете без окон. Жужжали флуоресцентные лампы. Меня бы такое жужжание вогнало в тоску. Отсутствие дневного света – тоже. Меня тогда вообще многое вгоняло в тоску – когда я ничем не занимался. А вот Константина, похоже, ничто не удручало. Хотя выглядел он устало.

– Лег в четыре. Жизнь – жестянка, – сказал он. Но выражение лица и жесты ясно дали мне понять, что на самом деле жизнь совсем не жестянка. Он всю ночь куролесил со своей американской подружкой, ослепительной блондинкой – актрисой по имени Мег.

К Мег я его ревновал. Константин был парень хоть куда, средиземноморский красавец – стройный, но идеально сложенный, с томными глазами и замечательной улыбкой. Всегда загорелый и, хоть и на третьем десятке, в точности настолько седой, чтобы выглядеть умудренным. С сигаретой он напоминал рекламные картинки, снятые так, чтобы курение выглядело сексуально. Временами я втихаря мечтал встретить его лет через двадцать, сивого и морщинистого, может, даже слегка сутулого. Я же в этих фантазиях совершенно не изменился – не считая неуловимой зрелости, сильно обогащавшей мою сексуальную неотразимость.

Я сообщил Константину, что собираюсь потолковать с Джоном Шварцем.

– Это еще зачем? – спросил он.

Я ответил:

– Думаю, он может быть хорошим наставником.

Константин рассмеялся.

– Наставником? Да он сам себя наставить не может.

– Он вроде студентов берет.

– Ой, да ладно. Он тут уже девять лет, а постоянной ставки ему не дают. Он даже не профессор. Он научный сотрудник, как мы с тобой, – тут он изобразил очередной свой греческий – или итальянский – жест, пренебрежительное движение руками, каким, бывает, показываешь официанту, что наелся и можно убирать тарелку.

– Ну, раз он тут девять лет проработал, значит, факультет его поддерживает. Значит, тянет, – возразил я.

Константин тоже затянулся – сигаретой. Выдул дым к потолку, после чего взглянул на меня с улыбкой.

– Он ишак. Он учит, тащит кучу студентов. Делает черновую работу, чтобы ребята типа Фейнмана могли оттягиваться.

– Ну, с такой нагрузкой, может, ему не помешает коллега, – сказал я.

– Уверен, он будет счастлив все тебе про свою работу выложить. В конце концов, остальным же плевать.

– Спасибо за поддержку, Константин, – с этими словами я направился к выходу из его кабинета.

– А что? Я разве что плохое сказал? – спросил он мне вслед.

Кабинет Шварца был за углом. Дверь была открыта. На вид Шварцу было около сорока, очень подтянутый. Он сидел за столом и читал сигнальную копию – так у физиков называется рукопись научной статьи. Поскольку журналы долго возятся с публикациями статей, большинство научных работ расходится в народ в виде таких вот копий (в наши дни их можно загрузить из интернета). Он взглянул на меня. 

– Да?

Я представился. Он улыбнулся.

– Да, я слышал, вы новенький.

– Мне интересно со всеми познакомиться и узнать, кто чем занят.

– Я работаю над теорией струн, – сказал он так, будто это такое бытовое понятие.

– Подумалось, может, вы бы могли что-то рассказать мне о вашем исследовании.

– У меня, увы, нет времени, – ответил он.

– В другой раз, значит… – сказал я. – Когда будет удобно?

Он встал и подошел к книжной полке. Достал полдесятка сигнальных оттисков и копий статей.

– Вот, – сказал он. – Почитайте и все.

Он вручил мне материалы и вернулся к работе, будто меня и не было рядом. Он отслюнил мне все слова, какими желал поделиться, и теперь словно жадничал даже взгляда.

Я вернулся зализывать раны к себе в кабинет. Заглянул Константин, спросил – несколько слишком жизнерадостно, – стал ли я новым «послушником» Шварца. Я продемонстрировал ему средний палец, что ни в Греции, ни в Италии не применяется. Но он понял.

Но ни я, ни он не знали, что через несколько лет стопка статей, легшая в тот день ко мне на стол, станет предметом поклонения по всему миру – как предвестник одного из самых многообещающих прорывов в теоретической физике XX века.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.