Это наша четвёртая большая проблема.
Есть глубокая надежда, что правильная единая теория частиц и сил даст однозначный ответ на этот вопрос.
В 1900-м Вильям Томсон (лорд Кельвин), влиятельный британский физик, лихо объявил, что физика закончилась, исключая два маленьких облачка на горизонте. Эти «облачка» оказались ключами, которые привели нас к квантовой теории и теории относительности. Сегодня, даже если мы празднуем включение всех известных явлений в стандартную модель плюс ОТО, мы тоже осознаём два облачка. Это тёмная материя и тёмная энергия.
Отдельно от проблемы соотношения гравитации с квантами мы думаем, что мы очень хорошо понимаем гравитацию. Предсказания ОТО находятся в согласии с наблюдениями с очень большой степенью точности. Наблюдения по этим вопросам простираются от падающих тел и света на Земле, до детализированного движения планет и их лун, до масштабов галактик и скоплений галактик. Совершенно экзотические явления — вроде гравитационного линзирования, эффекта искривления пространства материей — сегодня настолько хорошо поняты, что используются для измерения распределений масс в скоплениях галактик.
Во многих случаях — когда скорости малы по сравнению со световой и массы не слишком компактны — ньютоновские законы гравитации и движения обеспечивают превосходное приближение к предсказаниям ОТО. Определённо, они должны нам помогать предсказывать, как массы звёзд и другой материи в соответствующей галактике влияют на движение отдельной звезды. Но они не предсказывают. Гравитационный закон Ньютона говорит, что ускорение любого объекта при его обращении относительно другого пропорционально массе тела, вокруг которого он обращается. Чем тяжелее звезда, тем быстрее орбитальное движение планеты. Это означает, что если вокруг двух звёзд обращаются планеты, и планеты находятся на одинаковых расстояниях от своих звёзд, планета, обращающаяся вокруг более массивной звезды, будет двигаться быстрее. Таким образом, если вы знаете скорость тела на орбите вокруг звезды и его дистанцию до звезды, вы можете измерить массу этой звезды. То же самое сохраняется для звёзд, обращающихся вокруг центра галактики; путём измерения орбитальной скорости звёзд вы можете измерить распределение массы в этой галактике.
На протяжении последних десятилетий астрономы проделали очень простой эксперимент, в котором они измерили распределение масс в галактике двумя различными способами и сравнили результаты. Во-первых, они измерили массу через наблюдение орбитальных скоростей звёзд; во-вторых, они провели более прямое измерение масс, оценив все звёзды, газ и пыль, которые они могли видеть в галактике. Идея заключалась в сравнении двух измерений. Каждое должно было дать нам полную массу галактики и её распределение. Полагая, что мы хорошо понимаем гравитацию, и что все известные формы материи испускают свет, два метода должны согласоваться.
Они не согласуются. Астрономы сравнили два метода измерения массы более чем в ста галактиках. Почти во всех случаях два измерения не совпадали, причём не на малую величину, а на фактор порядка 10. Более того, ошибка всегда была в одном направлении: почти всегда для объяснения наблюдаемого движения звёзд требовалось больше массы, чем это следовало из прямой оценки всех звёзд, газа и пыли.
Имеются только два объяснения этому. Или второй метод неверен из-за того, что в галактике намного больше массы, чем это видно, или ньютоновские законы не могут предсказать точное движение звёзд в гравитационном поле их галактики.
Все формы материи, которые мы знаем, испускают свет или непосредственно как звёздный свет, или отражённый от планет или межзвёздных камней, газа и пыли. Так что, если есть нечто, что мы не видим, оно должно быть некоторой новой формой материи, которая не испускает и не отражает света. А поскольку расхождение столь велико, подавляющая часть материи в галактиках должна быть в этой новой форме.
Сегодня большинство астрономов и физиков уверены, что это и есть правильный ответ на загадку. Имеется потерянная материя, которая на самом деле здесь, но которую мы не видим. Эта мистическая потерянная материя названа тёмной материей. Гипотеза тёмной материи более предпочтительна, поскольку единственная другая возможность, — что мы ошибаемся относительно законов Ньютона и их обобщения в ОТО, — слишком устрашающая, чтобы быть рассмотренной.
Вещи стали даже более мистическими. Недавно мы открыли, что когда мы проводим наблюдения на ещё больших масштабах, соответствующих миллиардам световых лет, уравнения ОТО не удовлетворяются, даже когда добавлена тёмная материя. Расширение вселенной, запущенное Большим Взрывом около 13,7 миллиардов лет назад, оказывается ускоряющимся, тогда как с учётом наблюдаемой материи плюс рассчитанной оценки тёмной материи оно должно быть, напротив, — тормозящимся.
И опять тут возможны два объяснения. ОТО может просто быть неверна. Она была точно проверена только в пределах нашей солнечной системы и соседних систем в нашей собственной галактике. Возможно, когда мы переходим на масштабы, сравнимые с размерами целой вселенной, ОТО просто больше не применима.
Или имеется новая форма материи — или энергии (напомним знаменитое уравнение Эйнштейна E=m•c
2
, показывающее эквивалентность энергии и массы), — которая становится существенной на очень больших масштабах. Это означает, что эта новая форма энергии проявляется только в расширении вселенной. Чтобы делать это, она не может скапливаться вокруг галактик или даже скоплений галактик. Эта странная новая энергия, которую мы постулировали, чтобы соответствовать данным опытов, названа тёмной энергией.
Большинство видов материи находится под давлением, но тёмная энергия находится под растяжением — это означает, что она стягивает вещи вместе вместо того, чтобы расталкивать их в стороны. По этой причине растяжение временами называют отрицательным давлением. Несмотря на факт, что тёмная энергия находится под растяжением, она заставляет вселенную расширяться быстрее. Если вы озадачены этим, я вас поддерживаю. Можно подумать, что газ с отрицательным давлением будет действовать подобно резиновой ленте, связывающей галактики и замедляющей расширение. Но оказывается, что когда отрицательное давление достаточно отрицательно, в ОТО оно имеет противоположный эффект. Это вызывает расширение вселенной с ускорением.
Недавние измерения выявили вселенную, которая большей частью состоит из неизвестного. Полные 70 процентов плотности материи оказывается в форме тёмной энергии. Двадцать шесть процентов есть тёмная материя. И только 4 процента обычная материя. Так что менее 1 части из 20 построено из материи, которую мы наблюдаем экспериментально или описываем в стандартной модели физики частиц. Об оставшихся 96 процентах, за исключением только что отмеченных их свойств, мы не знаем абсолютно ничего.
В последние десять лет космологические измерения стали намного более точными. Частично это проявление эффекта Мура, который устанавливает, что каждые восемнадцать месяцев или около того скорость операций компьютерных чипов удваивается. Все новые эксперименты используют микрочипы или на спутниках, или на телескопах земного базирования, так что, поскольку чипы становятся лучше, постольку лучше становятся и наблюдения. Сегодня мы много знаем об основных характеристиках вселенной, таких как полная плотность материи и темп расширения. Теперь имеется стандартная модель космологии, точно так же, как имеется стандартная модель физики элементарных частиц. Почти подобно своему двойнику стандартная модель космологии имеет список свободных подгоночных констант — в этом случае около пятнадцати. Они обозначают, среди других вещей, плотность различных видов материи и энергии и темп расширения. Никто не знает ничего о том, почему эти константы имеют именно те значения, какие имеют. Как и в физике частиц, величины констант берутся из наблюдений, но ещё не объясняются ни одной теорией.
Эти космологические головоломки составляют пятую великую проблему.
Эти пять проблем представляют границы современного знания. Они являются тем, что бодрит физиков-теоретиков даже по ночам. Все вместе они двигают большую часть текущей работы на переднем крае теоретической физики.
Любая теория, которая претендует на звание фундаментальной теории природы, должна ответить на каждую из них. Одна из целей настоящей книги заключается в оценке, насколько хорошо недавние физические теории, такие как теория струн, преуспели в достижении этой цели. Но перед тем, как мы сделаем это, нам необходимо посмотреть на более ранние попытки унификации. Мы должны многому научиться из успехов, — а также и из неудач.
2
Красивый миф
Самой заветной целью в физике, как в плохой романтической новелле, является объединение. Свести вместе две вещи, которые ранее понимались как различные, и осознать их как аспекты единой сущности, — когда мы можем сделать это, — это наиболее волнующая вещь в науке.
Единственный здравый отклик на предложенное объединение есть удивление. Солнце является только ещё одной звездой — а звёзды являются только солнцами, которые удалены очень далеко! Представьте себе реакцию кузнеца или актёра конца шестнадцатого века на слух об этой дикой идее Джордано Бруно. Что могло бы быть более абсурдным, чем объединять Солнце со звёздами? Люди были научены, что Солнце было великим огнём, созданным Богом, чтобы обогревать Землю, тогда как звёзды были отверстиями в небесной сфере, которая преграждала путь свету небес. Объединение немедленно низвергает ваш мир с высот вниз. То, что вы использовали для веры, становится невозможным. Если звёзды являются солнцами, вселенная оказывается безмерно больше, чем вы думали! Небеса не могут быть прямо над головой!
И даже более важно, что новое предложение об объединении приносит с собой ранее невообразимые гипотезы. Если звёзды являются другими солнцами, должны быть планеты вокруг них, на которых живут другие люди! Следствия часто распространяются за пределы науки. Если есть другие планеты с другими людьми на них, тогда или Иисус приходил ко всем им, а в этом случае его приход к Человеку был не уникальным событием, или все те люди потеряли возможность спасения! Не удивительно, что католическая церковь сожгла Бруно живьём.
Великие объединения стали основополагающими идеями, на которых воздвиглись целые новые науки. Иногда следствия настолько угрожали нашему мировоззрению, что удивление быстро сменялось недоверием. Перед Дарвином каждый биологический вид находился в своей собственной вечной категории. Каждый вид был индивидуально создан Богом. Но эволюция при помощи естественного отбора означает, что все виды имеют общего предка. Они объединены в одну великую семью. Биология перед Дарвином и биология после него вряд ли являются одной и той же наукой.
Такая мощь новых прозрений быстро приводит к новым открытиям. Если все живые существа имеют общего предка, они должны быть устроены сходным образом! В самом деле, мы были сделаны из одинакового вещества, поскольку всё живое оказывается состоящим из клеток. Растения, животные, грибки и бактерии кажутся весьма отличающимися друг от друга, но все они являются просто собраниями клеток, упорядоченных различными способами. Химические процессы, которые создают и поддерживают эти клетки, одни и те же во всей империи жизни.
Если предложения объединения являются столь шокирующими для нашего первоначального образа мыслей, как получается, что люди приходят к уверенности в них? Это во многих отношениях главный вопрос нашей истории, о нём история нескольких предложенных объединений, некоторые из которых стали сильной верой многих учёных. Но ни одно из них не достигло признания среди всех учёных. Как следствие, мы имеем активные разногласия и, временами, эмоциональные споры, результат попытки радикального изменения мировоззрений. Итак, когда кто-нибудь предлагает новое объединение, как мы можем сказать, является ли оно верным или нет?
Как вы можете представить, не все предложения объединения оказываются верными. В одно время химики предположили, что теплота является субстанцией, подобной материи. Она была названа флогистоном. Эта концепция объединяла теплоту и материю. Но она была ложной. Правильное предложение по объединению теплоты и материи в том, что теплота есть энергия хаотического движения атомов. Но, хотя атомизм был предложен древними индусами и греками, потребовалось время до конца девятнадцатого века, прежде чем теория теплоты как хаотического движения атомов была должным образом разработана.
В истории физики было много предложений объединяющих теорий, которые оказывались неправильными. Одной из знаменитых была идея, что свет и звук, по существу, являются одной и той же вещью: Они оба мыслились как колебания в материи. Поскольку звук есть колебания воздуха, было предположено, что свет является колебаниями нового вида материи, названного эфиром. Точно так же, как пространство вокруг нас заполнено воздухом, вселенная заполнена эфиром. Эйнштейн похоронил эту специфическую идею, предложив свой собственный вариант объединения.
Все важные идеи, которые теоретики изучают последние тридцать лет — такие как теория струн, суперсимметрия, высшие размерности, петли и другое — являются предложениями объединения. Как нам сказать, какие из них являются правильными, а какие нет?
Я уже отмечал два свойства, элементы которых содержатся в успешных объединениях. Первое, удивительность, не может быть недооценено. Если что-то не является удивительным, то идея или не интересна, или кое-что мы знали и раньше. Второе, следствия должны быть драматическими: Объединение должно быстро приводить к новым прозрениям и гипотезам, становясь двигателем, который форсирует прогресс в понимании.
Но есть и третий фактор, который побивает оба первых. Хорошая унифицирующая теория должна предлагать предсказания, которые никто и не думал сделать ранее. Она может даже предложить новые виды экспериментов, которые имеют смысл только в свете новой теории. И самое важное из всего, предсказания должны быть подтверждены экспериментом.
Эти три критерия — удивительность, новое прозрение и новые предсказания, подтверждённые экспериментом — являются тем, что мы будем искать, когда мы подойдём к оценке перспектив современных попыток объединения.
Физики, кажется, ощущают глубокую потребность в объединении, и некоторые говорят так, как будто любой шаг в направлении дальнейшей унификации должен быть шагом в направлении истины. Но жизнь не столь проста. В любой момент времени может существовать более чем один возможный путь к объединению известных нам вещей — пути, которые ведут науку в различных направлениях. В шестнадцатом столетии на столе было два очень отличающихся предложения по объединению. Это была старая теория Аристотеля и Птолемея, в соответствии с которой планеты были объединены с Солнцем и Луной как части небесных сфер. Но было и новое предложение Коперника, который объединил планеты с Землёй. Каждый подход имел великие последствия для науки. Но, по большей части, только один мог бы быть верным.
Мы можем видеть здесь цену выбора ложного объединения. Если Земля является центром вселенной, это имеет потрясающие последствия для нашего понимания движения. В небе планеты изменяют направление, поскольку они прикреплены к кругам, чья природа заключается в вечном вращении. Этого никогда не происходит с вещами на Земле: всё, что мы толкнём или бросим, быстро приходит в покой. Это естественное состояние вещей, которые не прикреплены к космическим кругам. Таким образом, во вселенной Птолемея и Аристотеля имеется большое отличие между понятиями быть в движении и быть в покое.