Переход:.....Назад

"Природа" знакомит своих читателей с лекцией Стивена Хокинга "Виден ли конец теоретической физики?", прочитанной по поводу его вступления в должность профессора кафедры математики Кембриджского университета. Когда-то эту кафедру занимал создатель первой теории гравитации великий Исаак Ньютон, сменивший на этом посту своего учителя Исаака Барроу (1630 – 1677), известного своими работами по математике и физике. Долгие годы – с 1932 во 1969 г. – профессором кафедры был Поль Дирак – создатель релятивистской квантовой механики.

Работы С. Хокинга в значительной степени сформировали современный облик теории тяготения, основанной на общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Ему принадлежат классические результаты в этой области. Применив новые геометрические методы, он, совместно с Р. Пенроузом, показал, что возникновение упоминаемых в тексте публикуемой лекции сингулярностей типа коллапса не зависит от упрощающих предположений, использовавшихся ранее, а являются прямыми следствиями ОТО. Ему же принадлежит теория испарения черных дыр, кратко обсуждаемая в лекции. С более подробным изложением этого явления, известного как эффект Хокинга, читатели имели возможность познакомиться на страницах журнала "Природа" (Новиков И. Д., Полнарев А. Г. Первичные черные дыры. 1980, № 7; Киржниц Д. А., Фролов В. П. Черные дыры, термодинамика, информация. 1981, № 11).

Ожидалось, что аналогичное уравнение будет описывать протон, вторую по предположению элементарную частицу, известную в то время. Однако открытие нейтрона и ядерных сил разрушило эти надежды. Сейчас мы точно знаем, что ни протон, ни нейтрон не элементарны, а состоят из еще меньших частиц. Тем не менее, мы многого достигли в последние годы, и, как будет показано далее, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: не исключено, что мы увидим законченную теорию еще при жизни некоторых из присутствующих здесь.

Однако если даже мы и получим законченную единую теорию, детальные предсказания можно будет делать лишь в простейших случаях. Например, нам уже известны физические законы, управляющие всеми явлениями, с которыми мы сталкиваемся в жизни: как отмечал Дирак, его уравнение стало основой “большой части современной физики и всей химии”. Тем не менее, мы смогли решить это уравнение только для самой простой системы – атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с большим количеством электронов, не говоря уже о молекулах с более чем одним ядром, мы вынуждены прибегать к приближениям и интуитивным предположениям сомнительной применимости. Для макроскопических систем, состоящих из 10 частиц или около того, мы вынуждены пользоваться статистическими методами, оставив все попытки решить уравнение точно. Несмотря на то, что мы, в принципе, знаем уравнения, управляющие всеми биологическими явлениями, мы не сумели свести исследования свойств человеческого организма к области прикладной математики.

Многие могли бы утверждать, что роль науки заключается в решении первой из этих задач и теоретическая физика достигла бы своей цели, если бы был получен полный набор локальных физических законов. Они склонны рассматривать вопрос о начальных условиях для Вселенной принадлежащим к сфере метафизики и религии. В некотором смысле это отношение похоже на позицию тех, кто в прошлые столетия противодействовал научным исследованиям, говоря, что все явления в природе есть дело рук Божьих и не должно в них вникать. Я полагаю, что начальное состояние Вселенной столь же подходящий объект для научных исследований и теорий, как и локальные физические законы. У нас до тех пор не будет полной теории, пока мы не сможем сделать больше, чем просто утверждать: “Вещи таковы, как они есть, потому что они были такими, какими были”.

Вопрос о единственности начальных условий тесно связан с вопросом о неопределенности локальных физических законов: теория не могла бы считаться законченной, если бы она содержала ряд свободных параметров, таких как массы или константы взаимодействия, которым можно было бы приписать любое произвольное значение. На самом деле создается впечатление, что ни начальные условия, ни значения параметров в теории отнюдь не произвольны, а как-то очень тщательно подобраны. Например, если бы разница в массах протона и нейтрона не была около двух электронных масс, не получилось бы около пары сотен стабильных ядер, которые формируют элементы и являются основой химии и биологии. Аналогично, если бы гравитационная масса протона была существенно иной, не существовало бы звезд, в которых могли бы образоваться эти ядра. А если бы начальное расширение Вселенной было бы несколько меньшим или большим, Вселенная либо сколлапсировала раньше, чем эти звезды успели проэволюционировать, либо расширилась столь быстро, что гравитационная конденсация никогда не привела бы к образованию звезд. В самом деле, некоторые пошли настолько далеко, что эти ограничения на начальные условия и параметры возвели в статус принципа – антропологического принципа (Аnthropiс Рrinciple), который может быть сформулирован так: “Вещи таковы, как они есть, потому что мы существуем”. Согласно одной из трактовок этого принципа, существует огромное количество различных самостоятельных вселенных с различными значениями физических параметров и различными начальными условиями. Большинство этих вселенных не смогут обеспечить необходимых условий для развития сложных структур, необходимых для разумной жизни. И лишь в небольшом числе вселенных с условиями и параметрами, похожими на наши, существует возможность разумным существам развиваться и задавать вопрос: “Почему же Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем?”. Ответ, конечно, очевиден: “Если бы было иначе, некому было бы задать такой вопрос”.

Антропологический принцип действительно дает в определенном смысле объяснение многим замечательным числовым соотношениям, которые наблюдаются между значениями различных физических параметров. Тем не менее, все это не вполне удовлетворительно: невозможно отделаться от чувства, что должно быть более глубокое объяснение. Кроме того, антропологический принцип не годится для всех областей Вселенной. К примеру, наша солнечная система, безусловно, является необходимым условием нашего существования, так же как и более раннее поколение звезд, в которых в результате ядерного синтеза могли образоваться тяжелые элементы. Не исключено, что вся наша галактика была необходима для этого. Однако, казалось бы, нет никакой необходимости в других галактиках, не говоря уже о том, что их миллионы миллионов, распределенных почти равномерно во всей наблюдаемой Вселенной.

При такой крупномасштабной однородности Вселенной чрезвычайно трудно иметь антропоцентрические взгляды и верить в то, что структура Вселенной определяется чем-то столь периферийным, как некие сложные молекулярные образования на второстепенной планете, вращающейся вокруг весьма средней звезды во внешней окрестности достаточно типичной спиральной галактики.

Если мы не собираемся обращаться к антропологическому принципу, нам нужна какая-то объединенная теория для объяснения начальных условий Вселенной и значений различных физических параметров. Однако очень трудно придумать полную теорию всего, что происходит (хотя это, по-видимому, не останавливает некоторых людей: я получаю по почте две-три объединенных теории каждую неделю). Вместо этого мы ищем частичные теории, которые смогли бы описать ситуации, когда некоторые взаимодействия можно не учитывать либо простым способом аппроксимировать.

Сначала мы разделили материю Вселенной на две части: частицы “вещества”, такие как кварки, электроны, мюоны и т. д., и “взаимодействия”, такие как гравитация, электромагнетизм и т. п. Частицы "вещества" описываются полями полуцелого спина и подчиняются принципу запрета Паули, который не позволяет двум и более частицам данного сорта находиться в одинаковых состояниях.

Из-за этого возможно существование твердых тел, которые не коллапсируют в точку и не исчезают в бесконечности в виде излучения. Частицы “вещества” разделены на две группы: адроны, состоящие из кварков и лептоны, куда входят все оставшиеся частицы.

Взаимодействия феноменологически разделены на четыре вида. Первым, в порядке убывания их силы, идет сильное ядерное взаимодействие между адронами. Далее следуют электромагнитные силы между заряженными адронами и лептонами. Затем – слабые ядерные взаимодействия, возникающие между любыми адронами и лептонами. И, наконец, намного более слабая сила – гравитация, которой подвержено все на свете. Взаимодействия описываются полями целого спина, не подчиняющимися принципу запрета Паули. Это означает, что в одном состоянии может находиться много соответствующих этим полям частиц. Электромагнитные и гравитационные взаимодействия являются к тому же дальнодействующими. Это означает, что поля, создаваемые скоплением материальных частиц, могут складываться так, что появляется поле, обнаружимое в макроскопических масштабах. По этой причине электромагнитное и гравитационное поля стали первыми, для которых были разработаны теории: гравитации – Ньютоном в XYII в. и электромагнетизма – Максвеллом в ХIХ в. Однако в своей основе эти теории были несовместимы. Ньютоновская теория останется инвариантной, если всей системе придать любую постоянную скорость. В то же время в теории Максвелла имеется выделенная скорость света. В конце концов, оказалось, что должна быть модифицирована теория гравитации Ньютона с тем, чтобы выполнялись свойства инвариантности теории Максвелла. Эта цель была достигнута в эйнштейновской общей теории относительности (ОТО), сформулированной в 1915 году.

Но когда попытались применить эти теории для построения модели атома, возникли проблемы. Было обнаружено, что атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Естественно предположить, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра подобно Земле, вращающейся по орбите вокруг Солнца.

В 20 – 30 годах квантовая механика с огромным успехом применялась к исследованию систем с конечным числом степеней свободы, таким как атомы или молекулы. Однако появились трудности, когда попытались применить ее к электромагнитному полю, которое имеет бесконечное число степеней свободы (грубо говоря, две в каждой точке пространства – времени). Можно трактовать эти степени свободы как осцилляторы, каждый из которых характеризуется своими координатой и импульсом. Осцилляторы не могут быть в покое, так как тогда их положение и импульс были бы точно определены. Вместо этого каждый осциллятор имеет ненулевую энергию и некоторое минимальное количество того, что называется "нулевыми колебаниями". Полная энергия нулевых колебаний всего бесконечно большого числа степеней свободы является причиной того, что наблюдаемая масса и заряд электрона должны были бы стать бесконечными.

Для преодоления этой трудности в конце 40-х годов была развита так называемая процедура перенормировки. Она состояла в довольно произвольном вычитании некоторых бесконечных величин, после чего получались конечные остатки. В электродинамике было необходимо сделать два таких вычитания: одно для массы, а другое для заряда электрона. Процедура перенормировки никогда не основывалась на достаточно прочном математическом или теоретическом фундаменте, но она прекрасно работала на практике. Ее огромным успехом стало предсказание лэмбовского сдвига, небольшого смещения некоторых линий в спектре атомарного водорода. Однако эта процедура не очень удовлетворительна с точки зрения людей, пытающихся построить полную теорию: она не позволяет предсказать значения конечных остатков после выполнения вычитаний бесконечностей. И тогда мы снова должны прибегнуть к антропологическому принципу, чтобы объяснить, почему масса и заряд электрона таковы, как они есть.

В течение 50 – 60 годов, было общепринятым считать, что слабые и сильные ядерные взаимодействия неперенормируемы, т. е. требуют бесконечного числа вычитаний. Число конечных остатков, не определяемых теорией, тогда также будет бесконечным. Такая теория не обладает предсказательной силой, поскольку никто никогда не сможет измерить значения всего бесконечного числа параметров. Однако в 1971 г. т'Хоофт показал, что объединенная модель электромагнитных и слабых взаимодействий, ранее предложенная Вайнбергом и Саламом, в действительности перенормируема и требует лишь конечного числа вычитаний. В теории Вайнберга – Салама к фотону, имеющему спин 1 и переносящему электромагнитные взаимодействия, присоединяются три других партнера – частицы со спином 1 – W⁺, W^-, и Z⁰. Предсказано, что при очень больших энергиях все эти четыре частицы будут вести себя одинаково. А при низких энергиях надо объяснить тот факт, что масса покоя фотона равна нулю, в то время как W⁺, W^-, и Z⁰ все чрезвычайно массивны. Для этого привлекается явление, называемое "спонтанным нарушением симметрии". Предсказания теории при низких энергиях замечательно согласуются с наблюдениями; в результате Шведская академия присудила Нобелевскую премию Вайнбергу, Саламу и Глэшоу, который также построил подобные объединенные теории. Однако сам Глэшоу заметил, что Нобелевский комитет в действительности пошел на риск, так как до сих пор нет ускорителя частиц на энергию, достаточно большую, чтобы проверить теорию той области, где действительно происходит унификация электромагнитных сил, переносимых фотоном, и слабых сил, переносимых W⁺, W^-, и Z⁰. Достаточно мощные ускорители будут готовы через несколько лет, но большинство физиков уверено, что теория Вайнберга - Салама будет подтверждена.

Довольно давно было осознано, что протон и другие адроны, скажем p -мезон, не могут быть истинно элементарными частицами, но должны быть связанными состояниями других частиц, называемых кварками. По-видимому, кварки обладают любопытным свойством: несмотря на их способность довольно свободно двигаться внутри адрона, оказывается невозможным получить просто один кварк сам по себе. Они всегда появляются либо тройками (как в протоне или нейтроне), либо парами, состоящими из кварка и антикварка (как в p -мезоне). Чтобы это объяснить, кварки были наделены характерным признаком, называемым цветом. Стоит подчеркнуть, что этот цвет не имеет ничего общего с нашим обычным понятием цвета: кварки слишком малы, чтобы их можно было наблюдать в лучах видимого света. Это – просто удобное название. Идея состоит в том, что кварки могут быть трех цветов (например, красного, зеленого и голубого), но любое наблюдаемое связанное состояние (адрон) должно быть бесцветным. Это достигается либо смесью всех трех цветов, как в протоне, либо смесью красного и антикрасного и т. д., как в p -мезоне. Предполагается, что, подобно слабым взаимодействиям, сильные взаимодействия также переносятся частицами со спином 1, которые называются глюонами. Глюоны также несут цвет и вместе с кварками описываются перенормируемой теорией, называемой квантовой хромодинамикой, или, коротко, КХД. Следствием процедуры перенормировки является зависимость эффективной константы взаимодействия от энергии, при которой она измеряется; при очень больших энергиях константа взаимодействия уменьшается до нуля. Это явление известно как асимптотическая свобода. Оно означает, что при столкновении адронов высоких энергий кварки внутри адронов ведут себя почти как свободные частицы, так что их взаимодействия можно успешно описывать с помощью теории возмущений. Предсказания теории возмущений находятся в удовлетворительном качественном согласии с наблюдениями, но пока еще нельзя утверждать, что теория проверена экспериментально. При низких энергиях эффективная константа связи становится очень большой и теорию возмущений применять нельзя. Надеются, что такое “инфракрасное рабство” объяснит, почему кварки всегда заперты в бесцветные связанные состояния, но до сих пор никто не смог по-настоящему убедительно это показать.

Получив одну перенормируемую теорию для сильных взаимодействий и другую – для слабых и электромагнитных взаимодействий, естественно поискать теорию, объединяющую эти две. Такие теории получили несколько преувеличенный титул “теорий великого объединения”. Такое название скорее вводит в заблуждение, потому что ни одна из этих теорий не является ни великой, ни вполне объединенной, ни полной в том смысле, что они содержат ряд неопределенных параметров (массы и константы связи). Тем не менее, они могут стать значительным шагом к полной единой теории. Основная идея заключается в том, что эффективная константа связи сильных взаимодействий велика при низких энергиях, но постепенно уменьшается из-за асимптотической свободы при высоких энергиях. С другой стороны, эффективная константа связи теории Вайнберга – Салама при низких энергиях мала, но постепенно растет при больших энергиях, так как эта теория не является асимптотически свободной. Если экстраполировать скорость изменения этих констант связи, можно найти, что они станут равными при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ. Теории предполагают, что за этой энергией сильные взаимодействия объединяются с электромагнитными и слабыми, а при более низких энергиях происходит спонтанное нарушение симметрии.

Энергия 10¹⁵ ГэВ лежит далеко за пределами возможностей любого лабораторного эксперимента: нынешнее поколение ускорителей может дать лишь энергию около 10 ГэВ в системе центра масс сталкивающихся частиц, следующее поколение сделает доступной область около 100 ГэВ. Этого хватит для изучения той области энергий, где по теории Вайнберга – Салама должны объединиться электромагнитные и слабые силы. Но это не та огромная энергия, при которой согласно предсказаниям слабые и электромагнитные взаимодействия будут объединены с сильными взаимодействиями. Тем не менее, в лаборатории могут быть проверены некоторые предсказания теорий великого объединения для области низких энергий. Например, теории предсказывают, что протон не является абсолютно стабильным, а должен распадаться с временем жизни порядка 10³¹ лет. Современная экспериментальная оценка снизу на время жизни протона составляет примерно 10³⁰ лет, и существует возможность ее улучшить.

Другое наблюдаемое предсказание касается отношения числа барионов и фотонов во Вселенной. Законы физики представляются одинаковыми для частиц и античастиц. Более точно, они остаются теми же, если частицы заменить на античастицы, правое заменить на левое и поменять скорости всех частиц на обратные. Это утверждение известно под названием СРТ-теоремы и является следствием основных предположений, которые должны быть выполнены в любой разумной теории. И все же Земля, и вообще вся Солнечная система, состоит из протонов и нейтронов без антипротонов и антинейтронов. В действительности такое неравенство между частицами и античастицами является еще одним априорным условием нашего существования: если бы солнечная система состояла из смеси равного числа частиц и античастиц, они бы все проаннигилировали друг с другом, оставив лишь излучение. Из наблюдаемого отсутствия такого аннигиляционного излучения мы можем заключить, что наша Галактика целиком составлена из частиц, а не из античастиц. У нас нет прямых свидетельств о строении других галактик, но кажется правдоподобным, что они состоят из частиц и что во Вселенной в целом имеется избыток частиц над античастицами примерно в 1 частицу на 10⁸ фотонов. Можно попытаться объяснить это, привлекая антропологический принцип, но теории великого объединения фактически уже запаслись возможным механизмом для объяснения такого неравенства. Хотя все взаимодействия, по-видимому, инвариантны относительно комбинации преобразований С (замены частиц на античастицы), Р (обмена правого на левое) и Т (изменения направления течения времени), известны взаимодействия, не инвариантные относительно одного преобразования Т. В ранней Вселенной, когда имелась четко выраженная “стрела” времени, заданная расширением, в этих взаимодействиях могло рождаться больше частиц, чем античастиц. Однако расчетное число сильно зависит от конкретной модели, так что согласие с наблюдениями едва ли можно считать подтверждением теорий великого объединения.

Тем не менее, если есть стремление получить полную единую теорию, надо включать и гравитацию. Более того, классическая ОТО предсказывает, что должны существовать сингулярные точки пространства – времени, где гравитационное поле становится бесконечно сильным. Такие сингулярности должны были возникнуть в прошлом в начале существующего сейчас расширения Вселенной (Большой взрыв); они возможны в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Предсказание сингулярностей, по-видимому, указывает на нарушение классической теории. Однако не видно оснований для этого нарушения, пока гравитационное поле не стало настолько сильным, что приобрели значение квантовые гравитационные эффекты. Поэтому, квантовая теория гравитации существенна, если мы собираемся описывать раннюю Вселенную и дать какое-то объяснение начальным условиям помимо обращения к антропологическому принципу.

Такая теория нужна также, если мы хотим дать ответ на вопросы: действительно ли время имеет начало, а возможно, и конец, как это предсказывается классической ОТО; а может быть квантовые эффекты каким-то образом размазывают сингулярности Большого взрыва и “Большого сжатия”? Это очень трудные вопросы, которым нелегко даже придать хорошо определенный смысл, в ситуации, когда объектом действия принципа неопределенности становится сама структура пространства – времени. Мое личное ощущение таково: сингулярности, наверно, все же есть, хотя в каком-то математическом смысле время можно продолжить и за ними. Однако любое интуитивное представление о времени, основанное на сознании или способности производить измерения, теряет смысл.

Каковы же перспективы построения квантовой теории гравитации и объединения ее с тремя другими видами взаимодействий? Похоже, что лучшие надежды связаны с супергравитацией, расширением общей теории относительности.

Таким образом, если окажется, что все бесконечности в супергравитации взаимно сокращаются, мы получим теорию не только полностью объединяющую все частицы вещества и взаимодействий, но такую, которая также и полна в том смысле, что не содержит никаких неопределенных перенормировочных параметров.

Хотя у нас еще нет правильной квантовой теории гравитации, не говоря уж о теории, объединяющей ее с другими физическими взаимодействиями, у нас есть представления о некоторых чертах, которые должны быть присущи такой теории. Одна из них связана с тем, что гравитация влияет на причинную структуру пространства – времени, т. е. определяет, какие события могут быть причинно связаны друг с другом. В классической ОТО такой пример дает нам черная дыра, область пространства – времени, где гравитационное поле настолько сильно, что свет или любой другой сигнал притягивается назад в эту область и не может ускользнуть во внешний мир. Интенсивное гравитационное поле вблизи черной дыры вызывает рождение пар частиц и античастиц, одна из которых падает в черную дыру, а другая уходит на бесконечность. Выглядит так, как будто эта частица испущена черной дырой. Наблюдатель на некотором расстоянии от черной дыры может проводить измерения лишь с выходящими частицами, но не может установить их связь с частицами, которые упали в черную дыру и которые для него ненаблюдаемы. Это означает, что у уходящих на бесконечность частиц имеется дополнительная степень случайности или непредсказуемости сверх тех, которые обычно связываются с принципом неопределенности. В обычных условиях принцип неопределенности подразумевает, что можно определенно предсказать или положение, или скорость частицы, или некоторую комбинацию положения и скорости. Таким образом, возможность делать определенные предсказания, грубо говоря, уменьшается наполовину. Однако в случае частицы, испущенной черной дырой, невозможность наблюдать за происходящим внутри дыры означает, что нельзя определенно предсказать ни положение, ни скорость испускаемых частиц. Единственное, что можно предсказать, так это вероятности испускания частиц в определенных состояниях.

Каждый раз, как мы распространяли свои наблюдения на область все меньших расстояний и больших энергий, мы открывали новые “слои” в структуре вещества. В начале столетия открытие броуновского движения с типичной энергией частицы 3Ч 10^-2 эВ показало, что вещество не является непрерывным, но состоит из атомов. Вскоре после того было обнаружено, что эти предположительно неделимые атомы состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов с энергиями порядка нескольких электрон-вольт. В свою очередь было найдено, что ядра состоят из так называемых элементарных частиц, протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами с энергией связи порядка 10⁶ эВ. Самый последний эпизод этой истории – кварки в составе протонов и нейтронов, удерживаемые там силами с энергией связи около 10⁹ эВ. О том, как многого мы уже достигли в теоретической физике, свидетельствует та дань, которую нам приходится за это платить: для того чтобы осуществить опыт, результаты которого мы не можем предсказать, приходится строить грандиозные ускорители и расходовать большие деньги.

Наш прошлый опыт дает основания предположить, что существует бесконечная последовательность слоев в структуре вещества, проявляющихся при все более и более высоких энергиях. Такая точка зрения о все уменьшающихся коробочках внутри коробочек была официальной догмой в Китае при “банде четырех”. По-видимому, гравитация все же положит этому предел, но лишь при очень малых расстояниях 10^-33 см, или очень высоких энергиях 10²⁸ эВ. На расстояниях, меньших 10^-33 см, следует ожидать, что пространство – время перестанет вести себя как однородный континуум и вследствие квантовых флуктуаций гравитационного поля приобретет пенообразную структуру.

Существует громадная неисследованная область между нашими современными экспериментальными возможностями (10¹⁰ эВ) и гравитационным пределом (10²⁸ эВ).

Может показаться наивным предположение, что в этом чудовищном интервале энергий имеется всего лишь один или два структурных слоя, как это делается в теориях великого объединения. Однако существуют и основания для оптимизма: по крайней мере, в данный момент кажется, что гравитация может быть объединена с другими физическими взаимодействиями лишь в рамках одной из теорий супергравитации. Оказывается, что число таких теорий конечно. В частности, наиболее полная из них – так называемая расширенная супергравитация М = 8. Она содержит 1 гравитон, 8 частиц со спином 3/2, называемых гравитино, 28 частиц со спином 1, 56 частиц со спином 1/2 и 70 частиц со спином 0. Как ни велики эти числа, их не хватает для описания всех частиц, появляющихся в сильных и слабых взаимодействиях. Например, в теории М = 8 имеется 28 частиц со спином 1. Этого достаточно для описания глюонов, переносящих сильные взаимодействия, и двух из четырех частиц, переносящих слабые взаимодействия, но две другие частицы в этот набор не входят. Поэтому приходится предположить, что многие или большинство из наблюдаемых частиц, таких как кварки или глюоны, на самом деле не элементарны, как это сейчас кажется, но являются связанными состояниями фундаментальных частиц теории М =8. Совсем не похоже, чтобы в обозримом будущем или даже когда-либо вообще у нас появились ускорители, достаточно мощные для исследования этой составной структуры, особенно если основывать прогнозы на существующих экономических тенденциях. Тем не менее, то обстоятельство, что связанные состояния возникают в хорошо определенной теории М = 8, должно позволить нам сделать ряд предсказаний, которые могут быть проверены при энергиях, доступных уже сейчас или в ближайшем будущем. Ситуация может быть похожей на положение с теорией Вайнберга – Салама, объединившей электромагнетизм со слабыми взаимодействиями. Предсказания этой теории для низких энергий так хорошо согласуются с наблюдениями, что теория сейчас стала общепринятой, хотя мы еще не достигли энергии, при которой объединение действительно должно произойти.

Я уже отмечал, что третье свойство необходимо, если мы хотим иметь полную теорию без свободных параметров. Однако трудно объяснить свойства 1) и 2) без обращения к антропологическому принципу. Можно представить себе последовательную теорию, удовлетворяющую свойствам 1) и 3) и не включающую гравитацию. Но в такой Вселенной, возможно, не хватит сил притяжения, чтобы собрать вещество в большие совокупности, необходимые для развития сложных образований. Вопрос, почему пространство – время четырехмерно, лежит вне сферы физики, как это обычно принято считать. Однако и для этого тоже имеется хороший антропологический аргумент. Ясно, что трехмерный мир, т. е. двумерное пространство плюс время, явно “тесен” для любого сложного организма. С другой стороны, если бы число пространственных измерений превышало три, орбиты планет вокруг Солнца и электронов вокруг ядер были бы нестабильны, и имело бы место падение по спирали. Остается возможность многомерного времени, но такой мир лично мне трудно даже представить.

До сих пор я неявно предполагал, что полная теория Вселенной существует. Но так ли это? Имеется по крайней мере три возможности: 1) существует полная единая теория; 2) окончательной теории нет, но имеется бесконечная последовательность теорий – таких, что любой результат произвольного набора наблюдений может быть предсказан, если взять теорию, находящуюся достаточно далеко в этой цепочке; 3) теории совсем нет: за некоторой чертой наблюдения не могут быть ни описаны, ни предсказаны, они просто произвольны.

Вторая возможность равнозначна картине бесконечной последовательности новых структур при все более и более высоких энергиях. Как я уже говорил, это представляется неправдоподобным, поскольку ожидается существование предела при планковской энергии 10²⁸ эВ. Таким образом, остается лишь первая возможность.

В настоящий момент единственный видимый кандидат – это теория супергравитации М=8. Похоже, что в ближайшие несколько лет будут проделаны решающие расчеты и, возможно, они покажут неудовлетворительность этой теории. Если же теория выдержит эти испытания, пройдут еще годы, прежде чем мы разовьем вычислительные методы, необходимые для того, чтобы делать предсказания, и сможем найти объяснение начальным условиям для Вселенной и вывести законы физики, действующие локально. И здесь будут возникать замечательные задачи для физиков-теоретиков в течение ближайших лет двадцати или около того. Но чтобы закончить на несколько тревожной ноте, хочу сказать, что, возможно, большим временем они располагать не будут. Уже сейчас компьютеры оказывают в исследованиях полезную помощь, но они должны управляться человеческим мозгом. Однако если экстраполировать их современный быстрый темп развития, кажется вполне возможным, что они возьмут на себя всю теоретическую физику. Так что может быть уже виден конец профессии физика-теоретика, если не самой теоретической физики.

Переход:.....Назад