В природе могут быть вселенные, содержащие всего несколько частиц. Эти вселенные так малы, что невозможно заметить их присоединения к нашему закоулку. Но присоединившись, они изменят видимые значения величин, таких как электрический заряд частиц. Следовательно, мы не можем предсказать, каково будет видимое значение этих величин, так как не знаем, сколько вселенных ожидают своей очереди снаружи. Возможен взрыв рождаемости вселенных. Однако, в отличие от людей, у них, похоже, не будет ограничивающих факторов, таких как пропитание и место под солнцем. Младенцы-вселенные существуют в своем собственном царстве. Это напоминает вопрос, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы.

С. Хокинг. Черные дыры и новорожденные вселенные

В начале нашего века Хокинг принял деятельное участие в развитии еще одной теории на базе новых моделей квантовой гравитации, дающей парадоксальную картину природы пространства и времени на сверхмикроскопическом уровне. Эта необычная теория со странным названием «петлевая квантовая гравитация» (ПКГ) представляет нам пространство и время, состоящие из дискретных частей. Расчеты, выполненные Хокингом и другими известными физиками-теоретиками, представили простую и красивую картину, которая помогла объяснить многие загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что, хотя и в отдаленном будущем, ее предсказания можно будет проверить экспериментально, и ученые смогут обнаружить атомы пространства и времени, если они действительно существуют. В ПКГ речь идет о структуре пространства-времени в самых малых масштабах площади или объема. Представьте себе некую область, обозначенную границей, которая может быть задана материальным объектом или непосредственно геометрией пространства-времени. Что происходит, когда мы измеряем объем описанной области? Если геометрия пространства непрерывна, то размеры и объем рассматриваемой области могут бить любыми. Но если геометрия как бы «гранулирована», то мы получим целочисленные значения, и будет существовать некоторый минимальный объем.

В теории ПКГ на субэлементарном масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы грубо задается кубом планковской длины (~10^–35 м), введенной Планком.

Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например, очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых виртуальных частиц и неисчерпаемым океаном энергии.

Опыт убеждает нас в том, что многие элементарные частицы похожи на маленькие безостановочно вращающиеся волчки, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц тоже происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами. Их называют спинами частиц, и они могут принимать целые и полуцелые значения. Частицы с целыми спинами называются бозонами, а с полуцелыми — фермионами, по именам индийского теоретика С. Бозе и итальянского физика Э. Ферми, которые первыми стали изучать специфические особенности этих двух видов частиц.

К бозонам принадлежат глюоны, частица света фотон, квант гравитационного поля гравитон, многие типы мезонов. В отряд фермионов входят кварки, электрон, нейтрино, протон с нейтроном и большинство других тяжелых частиц. Нетрудно заметить, что эти классы частиц играют совершенно различную роль в строении вещества. Фермионы составляют основу вещества, а бозоны — кванты связывающих их калибровочных полей. Свойства бозонов и фермионов настолько различны, что физики долгое время были уверены в том, что это — принципиально различные частички материи. Первые подозрения в скрытом родстве бозонов и фермионов возникли у теоретиков. Уж очень сходным был математический аппарат, описывающий эти два типа частиц! Да и вообще, если за единицу измерения взять спин, равный половине, то у бозонов будут четные целые спины, у фермионов — нечетные целые. Принципиальной разницы нет. Но почему же тогда природа разделила их непроницаемой стеной? Ведь на фоне разнообразных взаимопревращений частиц, столь характерных для микромира, фермионы всегда остаются фермионами, а бозоны — бозонами! В чем тут дело?

Сомнения усилились после открытия глюонов. Хотя это типичные бозоны и исполняют роль связывающего звена в кварковых структурах, они вместе с тем могут сами рождать новые глюоны, которые в свою очередь склеивают их между собой. Получается, что четкой границы между свойствами бозонов и фермионов нет, и те же глюоны имеют двойственную природу.

К идее бозон-фермионного родства теоретики пришли, анализируя уравнения, которым подчиняются эти частицы. Они придумали, как записать эти уравнения в виде, симметричном для целых и полуцелых спинов. А если есть симметрия, то стандартные методы теории Галуа позволяют рассчитать соответствующие мультиплеты: как говорится, это уже дело техники.

Новая симметрия получила название суперсимметрии. Она утверждает, что при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы должны оставаться неизменными. Это как бы зеркальное отражение природы, при котором фермионы превращаются в бозоны, а бозоны — в фермионы. Отсюда сразу же следует, что у каждого бозона должен быть партнер — фермион, и наоборот. Наряду с известными нам кварками-фермионами в природе должны быть еще кварки-бозоны и целая россыпь состоящих из них еще не открытых элементарных частиц.

У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть партнеры — бозоны. Еще не открытый на опыте партнер, его называют фотино, есть и у частицы света фотона. Словом, все частицы в природе должны иметь своего суперсимметричного партнера. Часто один их них — легкая частица, иногда даже без массы покоя, как фотон или нейтрино, а второй очень тяжелый. Например, бозонный электрон весит, по крайней мере, в сорок тысяч раз больше обычного электрона. Не меньшая масса у бозонного нейтрино и у фотино. К таким выводам приводят и расчеты, и экспериментальные данные, ведь если бы частицы были легкими, для их рождения в ядерных реакциях требовалось бы меньше энергии, и они давно были бы обнаружены. Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Ни космические лучи, ни один из действующих ускорителей не обладает достаточной энергией, чтобы породить такие тяжелые крупинки материи. В глазах физиков идея суперсимметрии выглядит чрезвычайно привлекательной и многообещающей, однако пока это только гипотеза. Чтобы она стала доказанным фактом, нужно открыть хотя бы некоторые из предсказанных ею частиц, например бозонные кварки или суперпартнеров электрона и нейтрино. Тем не менее это не мешает ученым использовать идею суперсимметрии в своих теоретических исследованиях, и в первую очередь — для построения квантовой теории тяготения.

Вернемся к гравитону — гипотетическому кванту поля тяготения. Если верна гипотеза суперсимметрии, у него тоже есть партнер — гравитино. Это квант калибровочного поля, различающего фермионные и бозонные частицы. Вместе с гравитоном он образует семейство двух гравичастиц. У бозона-гравитона спин равен двум, у фермиона-гравитино — трем вторым. Гравитон подобен фотону и не имеет массы покоя, всегда двигаясь со скоростью света. Масса гравитино точно неизвестна, но по оценкам, по-видимому, раз в сто больше протонной, то есть не меньше, чем у ядра серебра, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает совершенно новые черты — становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и была создана усилиями физиков многих стран.

Изучение супергравитации еще только начинается. Главное препятствие — отсутствие экспериментальных данных. Некоторые косвенные сведения дает лишь космология. Эволюция Вселенной в ранний период ее жизни, когда она представляла собой смесь из быстро рождающихся, распадающихся и взаимопревращающихся частиц, должна была зависеть от свойств гравитино. Сравнивая различные теоретические космологические сценарии развития Вселенной с астрофизическими наблюдениями, можно сделать некоторые грубые оценки.

Начиная с античных времен естествоиспытатели и философы задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоят пространство и время? Действительно ли окружающий нас объем непрерывен или больше похож на кусок материи, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе — или мир развивается крошечными скачками, действуя, словно компьютер?

Как-то, будучи еще ассистентом профессора Сиамы, Хокинг сделал попытку распространить принципы квантового мира на окружающее пространство. Тогда у него получилось, что оно должно состоять из определенных квантовых единиц площади и объема, производных от длины Планка, связанной с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Из этого исследования Хокинг сделал вывод, что длина Планка определяет сверхмикроскопический масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Однако профессор Сиама посчитал выводы своего ассистента недостаточно обоснованными и предложил продолжить исследования. И тут Хокинг выдвинул гипотезу, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой, — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения. При этом оказалось, что если гравитация связана с кривизной четырехмерного пространства-времени, то с высшими измерениями связаны другие поля. Главный вывод Хокинга: новая теория квантовой гравитации позволяла совершенно по-иному взглянуть на происхождение Вселенной и представить, что творилось не только сразу после Большого взрыва, но и до него. После смерти Хокинга эту тему продолжают развивать такие видные теоретики, как Роджер Пенроуз и Кип Торн, так что не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать ответ на самую жгучую загадку Мироздания — что же действительно предшествовало рождению нашего Мира.

В дальнейшем при исследовании квантовой гравитации Хокингу пришлось рассчитывать в основном лишь на теорию. Для этого ему пришлось изучать и сравнивать различные ее варианты, отбирая те, которые используют меньшее число предположений и более последовательны. Это напоминало, по признанию самого теоретика, разгадывание трудных кроссвордов, где для каждой колонки или строки пустых клеток можно найти несколько вариантов подходящих слов, но их взаимное расположение дает единственно правильное решение.

Однако, как неоднократно замечал в своих выступлениях профессор Хокинг, даже в простейшем варианте новая теория чрезвычайно сложна математически. При этом он обязательно рассказывал исторический анекдот про Эйнштейна: «С тех пор как на теорию относительности навалились математики, я и сам перестал ее понимать».

«Но по сравнению с теорией супергравитации, — добавлял Хокинг, — общая теория относительности легкое чтение!

В процессе разработки теории квантовой гравитации Хокинг предсказал удивительное явление, когда фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Когда в миллиардах световых лет от нас происходят чудовищные взрывы звездных объектов, то в окружающее их пространство устремляются гигантские потоки радиации. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации частичка такой радиации — фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет радиацию более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет и может наблюдаться в околоземном пространстве.

Хотя силовое воздействие всемирного тяготения буквально пронизывает всю без исключения нашу среду обитания, его кванты в виде частиц-гравитонов еще не наблюдал ни один исследователь. Убежденность в их существовании исходит в основном от физиков-теоретиков, которые, основываясь на квантовой механике, утверждают, что все без исключения силовые поля должны состоять из элементарных энергетических порций — квантов. Проблемы наблюдения отдельных гравитонов обусловлены его чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом, лежащим за границей чувствительности современных детекторов, ведь оно более чем на сорок (!) порядков слабее электромагнитных сил. Даже по сравнению с самой неуловимой частицей — нейтрино, для поисков которой используются толща мирового океана и сверхглубокие шахты, взаимодействие гравитона выглядит в биллионы миллиардов раз слабее. Каким же образом сила всемирного притяжения управляла рождением Вселенной, определяет современный облик нашего Мира и когда-нибудь через десятки миллиардов лет поставит последнюю точку в истории нашей реальности?..

Могущество самого грандиозного силового поля Мироздания основывается на неисчислимом количестве ее всепроникающих квантов, составляющих всемирный океан гравитационной энергии, в потоках которой плывут взаимодействующие тела. Если воспользоваться умозрительной моделью, то гравитон будет подобен летящему со скоростью света винтообразно закрученному вихрю энергии, чем-то напоминающему микроскопический торнадо. По сравнению со всеми известными элементарными частицами гравитон, по предсказаниям теоретиков, должен быть самой «закрученной» частицей, ведь ее спин вдвое больше, чем у фотона, и вчетверо превышает спин электрона и нейтрино.

Вот какими удивительными свойствами обладают кванты с детства привычного для нас поля земного притяжения. Что же говорить о квантовых образах иных моделей гравитационных полей, иногда имеющих несколько компонентов с различными спинами. Примером могут служить гравифотоны и гравискаляры, здесь ситуация отдаленно напоминает электромагнитное поле с его магнитной и электрической компонентами. Теория говорит, что взаимодействовать с веществом они должны столь же слабо, как и гравитон, но в отличие от него это довольно массивные частицы с собственной массой покоя. Они могут ускоряться и замедляться, а переносимые ими силы гравитации обрываются в пространстве более резко, чем гравитонные. В этом отношении новые гравичастицы, предсказываемые теоретиками, похожи на мезоны, переносящие ядерные силы. Только мезоны являются довольно тяжелыми, в триста раз массивнее электрона, масса же гравичастиц пока еще известна лишь очень приблизительно. Скорее всего, они чрезвычайно легкие, может быть, даже в сотни триллионов раз легче электрона. Для сравнения: электрон на столько же легче средней молекулы.

Из квантовой теории следует, что радиус сил, переносимых столь легкими частицами, как гравифотоны и гравискаляры, может составить десятки километров. Внутри круга с таким радиусом новые силы будут давать небольшую прибавку к классическому закону всемирного тяготения, которую, однако, физики-экспериментаторы пока еще не смогли идентифицировать. В то же время в космическом масштабе дополнительные гравитационные силы практически исчезают. Это наглядно демонстрируют детальнейшие астрономические наблюдения движения планет и других небесных тел внутри Солнечной системы, а их движение отлично рассчитывается на основе обычной ньютоновской теории, без всяких дополнительных гравитационных компонентов. Здесь прослеживается четкая логическая связь, ведь если бы частицы поля тяготения были еще легче, то их радиус действия возрос бы настолько, что они были бы неминуемо замечены земными наблюдателями. В то же время некоторые из квантов гравитации могут быть очень тяжелыми, превосходя в тысячи раз протоны и нейтроны. Тогда их влияние будет проявляться лишь на ультрамалых расстояниях, еще не доступных современному эксперименту. В этом случае возникают интереснейшие вопросы для физиков: каким образом подобная квантовая гравитация может влиять на процессы в макромире? Связана ли квантовая гравитация с таинственной «темной энергией», и какой вид могут иметь эти связи?

Как видим, здесь еще много неясностей, от которых нас избавит лишь эксперимент, и его результаты могут оказаться весьма неожиданными. В настоящий момент концепцию квантовой гравитации еще трудно соотнести с выводами других, интенсивно развивающихся теорий: инфляционной Вселенной, многомировой интерпретации, Мультиверса и квантовой хронофизики. Так, в последней на вселенскую сцену также выходят «атомы пространства и времени», однако их образ возникает не феноменологическим путем, а в результате анализа фундамента квантовой теории — структуры планковского кванта действия.

В начале прошлого века, незадолго после создания основ квантовой механики, Планк ввел несколько физических величин, получивших название «планковские»: длину, массу и время. Среди физиков-теоретиков до сих пор не утихают споры о том, что же скрывается за мыслимым горизонтом сверхмалых планковских масштабов. Одни видят там кипящий вакуум виртуальных частиц, из пены которого возникают новые миры, тут же проваливаясь в пропасть иных измерений, другие полагают, что континуум пространства-времени заполнен там мембранами из суперструн, а третьи мысленным взором охватывают бесконечные соты ячеек свернутых измерений. Сам Планк при выводе своих параметров руководствовался простым правилом размерностей, комбинируя известные тогда мировые константы, среди которых была и гравитационная постоянная, и это уже может служить одной из нитей, связывающих стандартную теорию с новейшими построениями.

Проблема новых гравитационных сил представляет собой один из интереснейших и актуальнейших вопросов развития современной физики. Это подтверждает и популярная статья «Иллюзия гравитации», опубликованная в журнале «Мир науки» одним из ведущих теоретиков квантовой гравитации Хуаном Малдасеной, в которой он пишет, что общая теория относительности (лучшая теория гравитации) является принципиально классической (то есть неквантовой). Великое творение Эйнштейна гласит, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно оказываются в гравитационном поле. Общая теория относительности чрезвычайно стройна и красива, а многие ее предсказания проверены с величайшей точностью.

В классических теориях объекты имеют определенные положения и скорости, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Кроме того, пустое релятивистское пространство-время является идеально гладким независимо от того, насколько детально его исследуют. Оно представляет собой абсолютно ровную арену, на которой выступают вещество и энергия.

Здесь важно помнить, что мы не ощущаем присутствия шести или семи дополнительных пространственных измерений из-за их особого вида. Считается, что они свернуты в ультрамикроскопические клубки (компактифицированы), которые все наши измерительные инструменты, от микроскопов до сверхмощных ускорителей, не отличают от геометрических точек. Такая интерпретация стандартна, но не обязательна: электроны, кварки и прочие частицы материи представлены струнами со свободными концами.

Таким образом, голографическое соответствие — не просто новая возможность создания квантовой теории гравитации. Оно фундаментальным образом объединяет теорию струн как наиболее изученный подход к квантовой гравитации с теорией кварков и глюонов, которая является краеугольным камнем физики элементарных частиц. Более того, голографическая теория, по-видимому, позволяет составить какое-то представление о точных уравнениях теории струн. Она была придумана в конце 1960-х годов для описания сильных взаимодействий, но ее забросили, когда на сцене появилась теория хромодинамики. Соответствие между теорией струн и хромодинамикой подразумевает, что прежние усилия не пропали даром: оба описания являются различными сторонами одной и той же монеты.

С годами на базе петлевой гравитации была создана обширная теория, дающая новую картину природы пространства и времени на уровнях планковского масштаба. Самый удивительный ее аспект в том, что на этом масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы задается кубом планковской длины. Площадь поверхности, отделяющая одну область пространства от другой, измеряется в дискретных единицах, мельчайшая из которых в грубом приближении равна квадрату планковской длины. Таким образом, если взять некий произвольный объем пространства и измерить с очень высокой точностью, мы обнаружим, что значение объема будет укладываться в дискретный ряд чисел, подобно тому как это происходит с энергией электрона в атоме. А равно, как и в случае энергетических уровней атома, здесь тоже можно вычислять дискретные площади и объемы на основе теоретических выкладок.

Важный урок состоит в том, что квантовая гравитация, на многие десятилетия озадачившая лучшие умы планеты, может оказаться очень простой, если ее рассматривать в терминах правильных переменных. Будем надеяться, что вскоре у нас появится простое описание парадоксального Мироздания, включая и сам момент рождения Вселенной — Большой взрыв.

Поиск новых закономерностей гравитационного взаимодействия между материальными телами всегда был одним из интереснейших вопросов физики. Особенно много опытов было поставлено по определению силы тяготения между разнородными веществами. Здесь несомненная пальма первенства принадлежит венгерскому физику Роланду фон Этвешу. Еще без малого столетие назад Этвеш выполнил множество уникальных по точности экспериментов для проверки зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел. Он изучал притяжение подвешенных на тонких нитях грузов. Они крепились на нитях асимметрично их центрам, и даже очень-очень слабое притяжение закручивало нити, а это можно увидеть, например, по перемещению светового зайчика, отброшенного на экран прикрепленным к нити крохотным зеркалом.

Многие космологи и астрофизики утверждают, что всего этого уже достаточно, чтобы решить задачу о том, что происходит со Вселенной при приближении к сингулярности.

Такого же мнения придерживался и Хокинг, а решения полученных им уравнений показали, что при экстремальном «сжатии» Вселенной пространство как бы рассыпается. При этом, по выводам теоретика, квантовая геометрия не позволяет уменьшить конечный объем до нуля. На определенном этапе неизбежно должна произойти остановка и вновь начаться расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во «времени», а значит, в этой теории до Большого взрыва с неизбежностью присутствует Большой хлопок — катастрофическое сжатие «предыдущей» вселенной. При этом свойства этой предыдущей вселенной не теряются в процессе коллапса, а однозначно передаются в нашу Вселенную.

Ну а теперь вспомним, что, рассуждая о возможных проявлениях ячеистой структуры пространства-времени мы забыли о самом главном событии в истории Мироздания — его рождении в пучинах Большого взрыва. Элементарная логика подсказывает, что если атомы пространства и времени существуют, то они должны были проявиться в самом начале эволюции Вселенной. Именно тогда и должна была возникнуть космологическая стрела времени, управляющая течением всех процессов и явлений нашего Мира.