Гиперпространство: Научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение

Этот рассказ заворожил меня. Ребенком я видел в нем великую тайну. Какую работу он не успел закончить? Что было в рукописи у него на столе? Насколько важной и трудной должна быть проблема, чтобы такой выдающийся ученый посвятил ей целые годы своей жизни? Любопытство побуждало меня узнавать все, что только можно, об Альберте Эйнштейне и его незаконченной теории. До сих пор с нежностью вспоминаю о том, сколько тихих часов провел, читая все, что мог найти, о великом ученом и его теориях. Исчерпав запасы ближайшей библиотеки, я продолжал прочесывать библиотеки и книжные магазины всего города, старательно выискивая новые сведения. Вскоре выяснилось, что эта история гораздо увлекательнее любого детектива и намного значительнее, чем можно было представить. Я решил, что попытаюсь докопаться до истины, даже если ради этого мне придется стать физиком-теоретиком.

Вскоре выяснилось, что незаконченная рукопись на столе Эйнштейна была попыткой создать так называемую единую теорию поля – теорию, которая объяснила бы все законы природы применительно как к мельчайшей частице, так и к самой большой галактике. Но в детстве я не понимал, что, возможно, между карпом, плавающим в пруду чайного сада, и незаконченной рукописью на столе Эйнштейна есть связь. И не подозревал, что высшие измерения могут оказаться ключом к разгадке единой теории поля.

Позднее, в старших классах школы, я перечитал почти все, что нашел в ближайших библиотеках, и часто наведывался в библиотеку факультета физики Стэнфордского университета. Там я узнал, что Эйнштейн допускал возможность существования антиматерии, или антивещества, – новой субстанции, которая ведет себя как обычная материя, но при контакте с ней аннигилируется с выбросом энергии. Кроме того, я узнал, что ученые сконструировали огромные машины, так называемые «ускорители частиц», благодаря которым можно получать микроскопические количества этой экзотической субстанции в лабораторных условиях.

Одно из преимуществ ранней молодости в том, что ей не страшна мирская ограниченность, которая обычно оказывается непреодолимой для большинства взрослых. Не оценив возможных препятствий, я поставил перед собой цель самостоятельно сконструировать ускоритель частиц. Я изучал научную литературу, пока не пришел к убеждению, что сумею собрать бетатрон, способный разгонять электроны до миллионов электронвольт. (Миллион электронвольт – энергия, которую приобретают электроны, ускорившиеся в поле, созданном разностью потенциалов в миллион вольт.)

Первым делом я приобрел немного натрия-22, который радиоактивен и естественным образом излучает позитроны (аналог электронов в антиматерии). Затем сконструировал так называемую «камеру Вильсона», в которой следы субатомных частиц становятся видимыми. Мне удалось сделать сотни прекрасных снимков следов, которые оставляет антиматерия. Потом я принялся промышлять вокруг крупных складов электроники и собирать необходимые детали и оборудование, в том числе сотни фунтов лома трансформаторной стали, и построил в гараже бетатрон на 2,3 млн эВ – достаточно мощный, чтобы произвести пучок позитронов. Для изготовления гигантских магнитов, необходимых для бетатрона, я убедил родителей помочь мне намотать 22 мили (около 35 км) медной проволоки на школьном футбольном стадионе. Рождественские каникулы мы провели на 50-ярдовой линии поля, наматывая и собирая массивные катушки, вызывающие искривление траекторий быстрых электронов.

Получившийся бетатрон весом 300 фунтов (около 136 кг) и мощностью 6 кВт полностью потреблял всю энергию в доме. Когда я включал его, все предохранители обычно вылетали, дом внезапно погружался во тьму. Наблюдая за тем, как в доме периодически воцаряется мрак, мама только качала головой. (Мне казалось, она теряется в догадках, за что ей достался ребенок, который, вместо того чтобы играть в бейсбол или баскетбол, сооружает в гараже какие-то громоздкие электрические машины.) К моей радости, машина успешно создала магнитное поле, в 20 тысяч раз превосходящее по мощности магнитное поле Земли и необходимое для ускорения пучка электронов.

Столкновение с пятым измерением

Наша семья была бедной, поэтому мои родители опасались, что я не сумею продолжить эксперименты и учебу. К счастью, награды, которых удостоились мои исследовательские проекты, привлекли внимание ученого-атомщика Эдварда Теллера. Его жена великодушно помогла мне получить стипендию для четырехлетнего обучения в Гарварде, благодаря чему я осуществил свою мечту.

Парадокс, но хотя в Гарварде я начал официально изучать теоретическую физику, именно там постепенно угасло мое увлечение многомерностью. Подобно другим физикам, я начал с подробной и всесторонней программы изучения высшей математики каждой из сил природы по отдельности, рассматривая их как совершенно обособленные друг от друга. До сих пор помню, как решал задачу по электродинамике для моего преподавателя, а потом спросил его, как могло бы выглядеть решение, если бы в высшем измерении пространство было искривлено. Преподаватель посмотрел на меня странно, словно сомневался, что я в своем уме. Вскоре я научился абстрагироваться от своих прежних детских представлений о пространстве высших измерений, как делали многие до меня. Мне объяснили, что гиперпространство – неподходящий предмет для серьезных исследований.

Этот непоследовательный подход к физике меня не устраивал, мыслями я часто возвращался к карпам, живущим в чайном саду. Несмотря на то что формулы для электричества и магнетизма, которыми мы пользовались и которые были выведены Максвеллом в XIX в., оказывались на удивление полезными, выглядели они весьма условными. Мне казалось, что физики (совсем как карпы) выдумали эти «силы», чтобы замаскировать наше невежество, отсутствие у нас представлений о том, как одни объекты могут вызывать перемещение других при отсутствии непосредственных контактов.

Во время учебы я узнал, что в XIX в. предметом наиболее бурных споров было распространение света в вакууме. (Свет звезд способен без труда преодолевать триллионы триллионов миль в вакууме космического пространства.) Эксперименты также подтвердили: вне всякого сомнения, свет – это волна. Но если свет – волна, значит, что-то должно «волноваться». Звуковым волнам нужен воздух, волнам в воде – вода, а поскольку в вакууме волнам образовываться негде, получается парадокс. Как свет может быть волной, если нечему волнообразно колебаться? В итоге физики придумали вещество под названием эфир, которое заполняет вакуум и действует как среда для распространения света. Однако эксперименты убедительно доказали, что «эфира» не существует[1].

И наконец, во время учебы в аспирантуре Калифорнийского университета в Беркли я совершенно случайно узнал, что существует и другое, хоть и спорное объяснение, каким образом свет может перемещаться в вакууме. Эта альтернативная теория выглядела настолько бредовой, что знакомство с ней стало для меня потрясением. Подобный шок испытали многие американцы, впервые услышав, что президента Джона Кеннеди застрелили. При этом все они запомнили, в какой именно момент услышали шокирующее известие, что при этом делали, с кем говорили. Мы, физики, тоже испытываем серьезный шок, когда впервые сталкиваемся с теорией Калуцы – Клейна. Поскольку эту теорию долгое время считали спекуляцией и домыслом, в учебные программы она никогда не входила, молодым физикам представлялась возможность открыть ее для себя случайно в процессе чтения внеучебных материалов.

Эта альтернативная теория дала свету простейшее объяснение: на самом деле свет – вибрация пятого измерения, или, как его называли мистики, – четвертого. Если свет и способен распространяться в вакууме, то лишь благодаря вибрации самого вакуума, так как в действительности «вакуум» существует в четырех пространственных измерениях и одном временном. Добавляя пятое измерение, силу тяжести и свет можно объединить на удивление простым способом. Вспоминая о впечатлениях, полученных в детстве в чайном саду, я вдруг понял, что это и есть математическая теория, которую я искал.

Исходная теория Калуцы – Клейна в силу технических трудностей более полувека оставалась бесполезной. Однако в последние десять лет ситуация изменилась. Более совершенные варианты теории, такие как теория супергравитации и особенно теория суперструн, наконец устранили ее неувязки. Чуть ли не в одночасье теорию многомерности начали отстаивать и продвигать в исследовательских лабораториях всей планеты. Многие ведущие физики мира признали, что могут существовать и другие измерения, помимо обычных четырех пространственных и одного временного. Эта идея была в центре внимания интенсивных научных исследований. Многие физики-теоретики в настоящее время придерживаются мнения, что исследования многомерности могут стать решающим шагом к созданию всеобъемлющей теории, объединяющей законы природы, – теории гиперпространства.

Если это предположение окажется справедливым, будущие историки науки, скорее всего, смогут утверждать, что одной из великих концептуальных революций XX в. стало понимание, что гиперпространство может оказаться ключом, открывающим самые сокровенные тайны природы и всего сущего.

Из искры этой основополагающей концепции родилось пламя множества научных исследований: несколько тысяч статей, написанных физиками-теоретиками из крупнейших лабораторий мира, были посвящены изучению свойств гиперпространства. Страницы двух ведущих научных журналов – Nuclear Physics и Physics Letters – заполнились статьями с анализом самой теории. Было проведено более 200 международных физических конференций с целью выявления значения многомерности.

К сожалению, мы все еще далеки от экспериментального подтверждения идеи, что наша Вселенная многомерна. (О том, что именно потребовалось бы для обоснования теории и, возможно, управления мощью гиперпространства, мы поговорим далее в этой книге.) Так или иначе, в настоящее время эта теория решительно утвердилась на позициях законной отрасли современной теоретической физики. К примеру, Институт перспективных исследований в Принстоне, где Эйнштейн провел последние десятилетия своей жизни (и где была написана данная книга), в настоящее время является одним из центров активных исследований многомерного пространства-времени.

Стивен Вайнберг, удостоенный Нобелевской премии по физике в 1979 г., подытожил эту концептуальную революцию, сравнительно недавно заметив, что теоретическая физика приобретает все большее сходство с научной фантастикой.

Почему мы не видим высшие измерения?

Поначалу все эти революционные идеи кажутся нам странными, поскольку трехмерность окружающего нас повседневного мира мы принимаем как данность. Как отмечал ныне покойный физик Хайнц Пейджелс, «одна из характеристик нашего физического мира настолько очевидна, что никогда не ставит в тупик большинство людей, – это факт трехмерности пространства»{2}. Почти интуитивно мы понимаем, что любой предмет можно описать с помощью его длины, ширины и высоты. Указав три числа, можно определить положение любой точки в пространстве. Когда мы хотим увидеться с кем-нибудь за обедом в Нью-Йорке, то говорим: «Встречаемся на 24-м этаже здания на углу 42-й улицы и Первой авеню». Два числа указывают конкретное пересечение улиц, третье – высоту над землей.

Пилоты самолетов тоже определяют свое точное местонахождение с помощью трех чисел – высоты и двух координат на сетке или карте. В сущности, указания трех чисел достаточно, чтобы найти любую точку на планете – от кончика нашего носа до пределов обозримого мира. Это понимают даже дети: эксперименты с младенцами показали, что, приблизившись к краю обрыва и заглянув туда, они ползут обратно. Малыши инстинктивно понимают смысл не только понятий «лево», «право», «вперед» и «назад», но и «вверх» и «вниз». Следовательно, интуитивное представление о трех измерениях прочно запечатлено в нашем мозгу с раннего детства.

Эйнштейн развил эту концепцию и включил в нее время как четвертое измерение. К примеру, чтобы увидеться с кем-нибудь за обедом, мы должны также указать время: допустим, сказать, что встречаемся в половину первого на Манхэттене; иначе говоря, чтобы определить конкретное событие, нам требуется его четвертое измерение – время, в которое это событие происходит.

Современных ученых привлекает возможность выйти за рамки концепции четвертого измерения по Эйнштейну. Предмет нынешнего научного интереса – пятое измерение (пространственное, находящееся за пределами временного и трех общеизвестных пространственных) и далее. (Во избежание путаницы повсюду в этой книге я в соответствии с принятой практикой называю четвертое измерение пространственным измерением, помимо длины, высоты и ширины. Физики обычно считают это измерение пятым, но я намерен придерживаться исторической последовательности. Четвертым временным измерением мы будем называть время.)

Каким мы видим четвертое пространственное измерение?

Проблема в том, что никаким. Пространства высших измерений невозможно вообразить, напрасными оказываются любые попытки. Выдающийся немецкий физик Герман фон Гельмгольц сравнивал неспособность «увидеть» четвертое измерение с неспособностью слепого понять, что такое цвет. Как бы красноречиво мы ни объясняли слепому, что такое «красный», слова не в состоянии передать все богатство смысловых оттенков такого понятия, как цвет. Даже опытные математики и физики-теоретики, годами работающие с многомерностью, признаются, что не могут визуализировать высшие измерения. Вместо этого они углубляются в мир математических формул. Но если математики, физики и компьютеры без проблем решают уравнения для многомерного пространства, люди в массе своей не могут представить себе иные вселенные, помимо нашей собственной.

В лучшем случае мы можем пользоваться разнообразными математическими фокусами, изобретенными математиком и мистиком Чарльзом Хинтоном на рубеже XX в., чтобы представлять себе тени или проекции многомерных объектов. Другие математики, подобно Томасу Банчоффу, главе кафедры математики Университета Брауна, написали компьютерные программы, позволяющие манипулировать многомерными объектами, отбрасывающими тени на плоскую, двумерную поверхность компьютерных экранов. Греческий философ Платон сравнивал с людей с пещерными жителями, обреченными видеть только размытые серые тени того богатства жизни, которое находится за пределами наших пещер, – так и компьютеры Банчоффа позволяют лишь мельком взглянуть на тени многомерных объектов. (В действительности мы не в состоянии вообразить высшие измерения из-за трагического стечения обстоятельств в процессе эволюции. Наш мозг эволюционировал таким образом, чтобы справляться с множеством экстренных ситуаций в трех измерениях. Мгновенно, даже не задумываясь, мы распознаем прыжок льва или нападение слона и реагируем на них. По сути дела, те люди, которые лучше представляли себе, как движутся, поворачиваются, изгибаются объекты в трех измерениях, имели несомненное преимущество и выживали чаще, чем те, кто не мог себе этого представить. К сожалению, не существовало давления естественного отбора, которое побуждало бы людей учиться воспринимать движение в четырех пространственных измерениях. Умение видеть четвертое пространственное измерение определенно не помогло бы никому отразить нападение саблезубого тигра. Львы и тигры не бросаются на нас через четвертое измерение.)

В высших измерениях законы природы проще

Поддразнивать слушателей идеей многомерности вселенных любит Питер Фройнд, профессор теоретической физики знаменитого Института Энрико Ферми при Чикагском университете. Фройнд был одним из первопроходцев, работавшим над теориями гиперпространства еще тогда, когда физики считали их бредовыми. Годами Фройнд и небольшая группа ученых занимались наукой высших измерений, находясь в изоляции, теперь же она наконец вошла в моду и узаконена в сфере научных исследований. К удовольствию Фройнда, его раннее увлечение оправдало себя.

Фройнд не вписывается в традиционные представления об ограниченном, неотесанном и неряшливом ученом. Это вежливый, воспитанный, интеллигентный человек с проказливой, лукавой улыбкой, завораживающий далеких от науки слушателей увлекательными рассказами о стремительном прогрессе в сфере научных открытий. Фройнд с одинаковой легкостью испещряет доску формулами и ведет непринужденную светскую беседу на вечеринке с коктейлями. Фройнд говорит с заметным и благородным румынским акцентом, он обладает редким талантом объяснять самые мудреные, замысловатые физические концепции живым, увлекательным языком.

Фройнд напоминает нам, что по сложившейся традиции физики скептически относились к высшим измерениям потому, что их нельзя измерить, вдобавок у них нет конкретного применения. Но в настоящее время в среде ученых растет понимание того, что любая трехмерная теория «слишком ограничена» для описания сил, управляющих нашей Вселенной.

Как подчеркивает Фройнд, лейтмотивом физики последнего десятилетия стало то, что законы природы формулируются проще и яснее, когда они выражены в высших измерениях, т. е. в тех измерениях, в которых они действуют. Для законов света и гравитации находится естественное выражение, если рассматривать их в многомерном пространственно-временном континууме. Главное в объединении законов природы – увеличивать количество измерений пространства и времени до тех пор, пока все силы не будут объединены в рамках одного теоретического подхода. В высших измерениях нам хватает «места» для объединения всех известных физических сил.

Объясняя, почему высшие измерения завладели воображением ученых, Фройнд прибегает к следующей аналогии: «Представьте себе гепарда – прекрасное животное с гладкими, обтекаемыми формами, одно из самых быстрых на Земле, свободно передвигающееся по африканским саваннам. В своей естественной среде обитания это великолепное животное, практически шедевр природы, превосходит в скорости и грациозности всех прочих». И продолжает:

А теперь представьте, что гепарда поймали и посадили в тесную клетку в зоопарке. Он утратил присущую ему грацию и красоту, его выставили напоказ, чтобы развлечь нас. Мы видим лишь сломленный дух гепарда в клетке, а не силу и элегантность, которыми он обладал прежде. Этого гепарда можно сравнить с законами физики, прекрасными в их естественной среде. А естественная среда обитания законов физики – многомерное пространство-время. Но оценить законы физики количественно мы можем лишь в том случае, если они нарушены, посажены напоказ в «клетку», т. е. в нашу трехмерную лабораторию. Этого гепарда мы видим уже лишенным грации и красоты{3}.

На протяжении десятилетий физики гадали, почему четыре силы природы выглядят настолько обособленными, почему у «гепарда в клетке» такой жалкий и сломленный вид. Основная причина, по которой эти четыре силы настолько разнородны, отмечает Фройнд, заключается в том, что мы наблюдали за «гепардом в клетке». Наши трехмерные лаборатории – стерильные клетки зоопарка для законов физики. Формулируя эти же законы в многомерном пространстве-времени, их естественной среде обитания, мы видим их истинное великолепие и силу, законы становятся простыми и могущественными. Революция, захлестнувшая физику в настоящее время, – это осознание того, что естественная среда обитания нашего «гепарда» – гиперпространство.

Для того чтобы показать, каким образом введение высшего измерения способствует упрощению, представим себе, как велись масштабные войны во времена Древнего Рима. Великие римские войны зачастую разворачивались на множестве небольших полей и неизменно сопровождались невероятной путаницей, на противников со всех сторон сыпались разные слухи и дезинформация. Когда бои велись на нескольких фронтах, римские военачальники нередко действовали вслепую. Рим чаще побеждал в этих битвах за счет грубой силы, а не элегантной стратегии. Вот почему одним из первых принципов военного дела стал захват возвышенностей, высот, т. е. переход вверх, в третье измерение, над двумерным полем боя. Для человека, занимающего точку обзора на высоком холме, откуда открывалась панорама поля боя, хаос войны выглядел гораздо менее катастрофично. Иначе говоря, наблюдаемая из третьего измерения (т. е. с вершины холма) неразбериха на полях сражений выстраивается в единую связную картину.

Еще одно применение того же принципа, согласно которому природа, выраженная в высших измерениях, упрощается, занимает центральное место в специальной теории относительности Эйнштейна. Он обнаружил, что время является четвертым измерением, и продемонстрировал, что пространство и время легко объединить в теории четырех измерений. Это, в свою очередь, неизбежно повлекло за собой объединение всех физических величин, определяемых пространством и временем, например материи и энергии. Затем Эйнштейн нашел точное математическое выражение этого единства материи и энергии: Е = mc² – вероятно, самую известную из всех научных формул[2].

Для того чтобы оценить колоссальное значение этого объединения, опишем четыре фундаментальные силы, подчеркивая их различия, а также то, каким образом высшие измерения могут дать нам объединяющую систему формул. За последние 2000 лет ученые обнаружили, что все явления в нашей Вселенной можно свести к четырем силам, или взаимодействиям, на первый взгляд не имеющим никакого сходства друг с другом.

Сила электромагнитного взаимодействия

Сила электромагнитного взаимодействия может приобретать разнообразные формы, к которым относятся электричество, магнетизм и собственно свет. Электромагнитная сила освещает наши города, наполняет воздух музыкой радиоприемников и стереосистем, развлекает нас телевидением, избавляет от домашней работы благодаря бытовым электроприборам, подогревает нашу еду в микроволновках, следит за нашими самолетами и космическими аппаратами с помощью радаров, приводит в действие системы электростанций, вырабатывающих энергию. Сравнительно недавно сила электромагнитного взаимодействия стала применяться в электронно-вычислительных устройствах – компьютерах, которые произвели революцию в офисах, домах, школах и в армии, а также в лазерах, благодаря которым открылись новые перспективы в сферах коммуникации, в хирургии, в производстве лазерных дисков, новейшего вооружения Пентагона и даже в работе магазинных касс. Более половины валового национального продукта планеты, представляющего собой всю совокупность ее богатств, в том или ином отношении зависит от силы электромагнитного взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие

Сильное ядерное взаимодействие дает энергию, которая служит топливом звездам: благодаря ей звезды сияют, образуются яркие живительные лучи Солнца. Если бы сильное ядерное взаимодействие внезапно исчезло, Солнце потемнело бы, прекратилась бы вся жизнь на Земле. Некоторые ученые считают, что динозавры вымерли 65 млн лет назад, когда осколки, образовавшиеся при столкновении Земли с кометой, отлетели в верхние слои атмосферы, погрузили мир во мрак и вызвали резкое снижение температуры на планете. Парадоксально, но то же самое сильное ядерное взаимодействие способно отнять дар жизни. Выпущенная на волю с помощью водородной бомбы, эта сила может когда-нибудь уничтожить все живое на планете.

Слабое ядерное взаимодействие

Сила слабого ядерного взаимодействия обуславливает некоторые виды радиоактивного распада. Поскольку радиоактивные вещества при распаде выделяют тепло, слабое ядерное взаимодействие вносит свой вклад в нагревание радиоактивных пород в глубинных слоях планеты. Благодаря в том числе и этому нагреванию действуют вулканы; во время редких, но мощных извержений расплавленные породы достигают поверхности земли. Силы слабого и электромагнитного взаимодействий применяются для лечения тяжелых заболеваний: радиоактивный йод уничтожает опухоли щитовидной железы и помогает бороться с некоторыми видами рака. Сила радиоактивного распада может быть и губительной: она стала причиной серьезного ущерба при авариях на Чернобыльской АЭС и АЭС «Три-Майл-Айленд». Кроме того, результатом действия этой силы становятся радиоактивные отходы – неизбежный побочный продукт производства ядерного оружия и работы атомных электростанций – продукт, способный причинять вред на протяжении миллионов лет.

Сила тяжести

Сила гравитационного взаимодействия не дает Земле и другим планетам сойти с орбит и cкрепляет галактику. Без силы земного тяготения вращение планеты отбрасывало бы нас в космос словно тряпичных кукол. Воздух, которым мы дышим, быстро улетучился бы в космос, а мы умерли бы от удушья, жизнь на Земле сделалась бы невозможной. Без гравитационной силы Солнца все планеты, в том числе и Земля, были бы выброшены из Солнечной системы в холодные космические дали, где солнечный свет слишком слаб, чтобы способствовать жизни. В сущности, без силы гравитационного взаимодействия взорвалось бы и само Солнце. Солнце – это результат точного уравновешивания силы гравитации, стремящейся сдавить эту звезду, и силы ядерного взаимодействия, стремящейся разорвать ее. Если бы не гравитация, Солнце взорвалось бы, как триллионы триллионов водородных бомб.