Квантовый возраст

Глава 17. Вначале была механика

Квантовую механику и возникшую следом ядерную физику, да и физику элементарных частиц называли «физикой мальчиков». Поколение этих мальчиков, ровесников века и ровесников кванта, уходит. Остается созданная ими великая наука, целиком определившая наш сегодняшний день, определившая фундаментальные открытия в физике, химии, биологии (вплоть до вопроса о том, что явилось предполагаемой причиной нарушения той симметрии в сахарах и кислотах, которая привела к возникновению жизни на Земле). Какое бы чудо техники мы ни назвали сегодня, оно либо самым непосредственным, либо косвенным образом связано с открытием квантовой механики — от сложнейших установок для осуществления управляемой термоядерной реакции и лазерной терапии до очистки сточных вод и защиты зерна от долгоносика. И все-таки самое важное из огромного наследия, оставленного нам поколением квантового возраста, — это поколение их преемников, школы, которые они создали, и школы, которые создаются сегодня.

Какой же стала сегодня физика? Конечно, ответить разумно на этот вопрос коротко невозможно. Так же невозможно, как дать короткий ответ на вопрос, над чем работают сегодня физики. Кроме, пожалуй, самого тривиального: физика сегодня — мощная индустрия. А что касается переднего края фундаментальной науки, то один из самых актуальных вопросов — это вопрос о том, из чего сделана материя: мы с вами, Земля и Вселенная. Ответ на этот вопрос искали еще в древности и нашли: материя состоит из атомов. Атом означает «неделимый». Значит, материя состоит из частиц, которые неделимы. Если так считать и сегодня, то остается тогда вопрос, который требует огромных финансовых вложений и сложнейших исследований, вопрос о том, какие же частицы неделимы. То, что мы называем атом, увы, делимо. Делимо и само ядро атома. Делим и нейтрон, входящий в состав ядра. Но понятие «атом», смысл которого полностью противоречит сути дела, так и осталось в физике. Хотя было время, когда предлагали переименовать атом в «том» (значит делимый) и даже атомную бомбу называть «томной» бомбой, но это не прижилось, и лингвистическая ошибка осталась прочно. Осталась и проблема частиц, истинно неделимых, истинно элементарных. Осталась, но уже на совсем другом уровне. Чтобы дать представление об этом уровне, следовало бы рассказать всю захватывающую историю развития физики ядра, физики элементарных частиц и высоких энергий в течение 60 лет, отделяющих нас от того триумфального времени, когда благодаря открытию квантовой механики картина физики необычайно упростилась, когда, например, от сотни различных химических элементов таблицы Менделеева, со всем разнообразием их свойств, все свелось к трем частицам: протону, нейтрону и электрону. Рассказать о том, как та простая картина, которая виделась физикам 30-х годов, постепенно катастрофически усложнялась — к 60-м годам число открытых элементарных частиц перевалило за сотню, а на сегодняшний день — за три с половиной сотни (число их продолжает расти).

Все известные на сегодня элементарные частицы делятся на адроны и лептоны. Фотон, частица света, занимает особое место. Класс лептонов содержит всего шесть частиц (и соответствующие им шесть античастиц), разбитых на три пары: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино и тау-лептон со своим нейтрино. Все остальные частицы входят в класс адронов и делятся на барионы и мезоны. Барионы — это тяжелые частицы с массой не менее массы протона и с полуцелым спином. Мезоны так коротко не охарактеризуешь. Mesos по-гречески промежуточный. Масса первых открытых мезонов была промежуточной между массой протона и электрона. Позже были открыты более тяжелые мезоны, но название сохранилось. Они обладают целочисленным спином и спином ноль. Кроме того, было обнаружено огромное количество возбужденных состояний адронов, так называемых резонансов, с исчезающе малым временем жизни, порядка 10^–23 с. Итак, три с лишним сотни частиц, и каждая со своей массой, со своим временем жизни, со своим зарядом и со своим собственным характером поведения. И каждая из этих частиц, какое бы время жизни ни было ей отпущено, от 10³² лет (время жизни протона) до 10^–23 с, в течение жизни сохраняет свою индивидуальность. Ни одну из этих частиц нельзя «разбить на части», при столкновениях они просто исчезают и вместо них рождаются другие частицы. Для объяснения всего многообразия свойств и спектроскопических закономерностей этих частиц, для понимания динамики различных процессов, в которых они участвуют, возникла необходимость в их систематизации уже с учетом их внутренней структуры. Т. е. возникла необходимость считать элементарные частицы не элементарными, а составными.

В 1964 г. Гелл-Маном и Цвейгом была предложена гипотеза, согласно которой все адроны состоят из кварков: барионы — из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Кварковая схема оказалась очень удобной, а сама ситуация напоминала успешное объяснение всех свойств различных элементов таблицы Менделеева на языке трех частиц. Сначала и кварков было три. «Три кварка для мастера Марка», — это из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Оттуда и был извлечен Гелл-Маном термин «кварк». Что означает «кварк», никто не знает и знать не может, потому что слово это придумал Джойс, хотя и пишут сейчас иногда, что это какой-то сорт то ли простокваши, то ли глины. Это неважно. Важно, что кварки сегодня считаются фундаментальными частицами. Экспериментально измерены их заряды, массы и спин. Экспериментально было подтверждено существование предсказанного теорией четвертого кварка, экспериментально был обнаружен пятый кварк. Теоретики считают, что должен быть еще и шестой кварк, но он пока фигурирует со знаком вопроса. Правда, название он получил самое надежное: истинный.

Все кварки, так же как и лептоны, разбиты на три пары (названия, полученные кварками, хотя и имеют свою историю, но главным образом являются продуктом произвола): верхний u(+²/₃) и нижний d(–¹/₃), очарованный с(+²/₃) и странный s(–¹/₃), истинный t(+²/₃) и красивый b(–¹/₃). Кварки имеют полуцелый спин и несут дробный электрический заряд. В скобках рядом с обозначениями кварков стоит величина заряда. Из этих шести кварков строятся все адроны. Например, нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков и читается как udd, протон — как duu.

Как заряды и массы, так и все остальные квантовые характеристики адронов, получающиеся в кварковой схеме, совпадают с соответствующими величинами, полученными из экспериментов. Но при таком построении мы сталкиваемся с одной важной проблемой. Дело в том, что для всех частиц с полуцелым спином справедлив принцип запрета Паули, который всем частицам с полуцелым спином, так же как и электрону, для которого он был введен, запрещает находиться в одном и том же состоянии. Так что два d-кварка, входящие в состав нейтрона, например, должны отличаться друг от друга каким-то свойством, которого мы не знаем. Отметим, что дело не только в принципе Паули. Введение состояний по новому свойству имеет и другие серьезные причины. Оказалось, что для составления всего многообразия элементарных частиц достаточно всего трех различных состояний по новому свойству. Это свойство было названо «цветом». Таким образом, кварки, кроме электрического заряда, должны нести еще «цветовой» заряд. По аналогии с тремя основными цветами спектра, воспринимаемыми глазом, эти три различные состояния были окрашены в «красный», «зеленый» и «голубой» цвета. Так что кварков оказалось не шесть, а 18; каждый из шести кварков может быть красным, зеленым и голубым. Цветовые заряды в адронах комбинируются так, чтобы адроны оставались в смысле цветового заряда нейтральными, т. е. белыми.

Мы привели очень поверхностную схему. В действительности все гораздо сложнее. Так или иначе, на сегодняшний день фундаментальными составляющими материи принято считать 24 частицы: шесть лептонов и 18 кварков.

В Москве есть замечательная группа молодых художников. У каждого из них своя манера письма, своя тема. Объединяет их плакат. Плакат — удивительное искусство, очень сложное, требующее от художника особого таланта. Плакат — это крик. А как изобразить крик, чтобы он брал за живое, а не раздражал? У этих художников есть плакат на тему «Природа и мы»: на холсте изображен тигр — только его голова — с прямым взглядом. Выписан каждый волосок, каждая деталь так, что трудно отличить картину от цветной фотографии. Внизу крупными плакатными буквами написано: В СТРАНЕ ОСТАЛОСЬ 24 ТИГРА.

Двадцать четыре тигра — это угрожающе мало. Двадцать четыре фундаментальных частицы — много. Такое большое число «кирпичиков», из которых должно быть сложено все живое и неживое, вызывает естественную тревогу: природа не может быть такой сложной. А что, если и эти 24 частицы обладают внутренней структурой и состоят из каких-то пречастиц, которых тоже окажется много и они тоже окажутся составными? Прямо как душа Кощея Бессмертного: на краю света белого есть море-океан, на море на океане есть остров, на том острове дуб стоит, под дубом сундук зарыт, в сундуке — заяц, в зайце — утка, в утке — яйцо, в яйце — желток, в желтке — душа Кощея Бессмертного. А в каком она виде, и сам Кощей не знает, знает только, что там его жизненная сила и, доберись до нее кто-нибудь, не станет Кощея.

И возникает вопрос: а может, нет этих самых «неделимых» частиц? Может быть, нет той самой одной, двух или трех частиц, из которых мы хотим все построить? Может быть, частиц много и они все «делимы»? Может быть, не частиц мало, а мало сил, которые действуют между различными составляющими материи? Все это и есть предел — теория, которая объединила бы все элементарные частицы со всеми силами, существующими в природе. И тогда можно было бы получить окончательный ответ на вопрос: из чего сделана материя: мы с вами, Земля и Вселенная. Ответ бы выглядел просто: в природе существует Одна Сила. Она одна и ответственна за все: за Солнечную систему; за то, что горят звезды; за то, что Вселенная расширяется так, что галактики разлетаются со страшными скоростями; за то, что подсолнух поворачивается за солнцем; за то, что идут химические реакции; за то, что после первого трудного года ребенок зачинает говорить.

Конечно, понятие «одна сила» — грубое и нереальное. Речь идет в действительности о поисках единой теории, которая могла бы описать все виды взаимодействий, существующие в природе, единой теории, из которой можно было бы получить правильные законы (совершенно различные) для различных процессов, будь то процессы, происходящие в мире элементарных частиц, или процессы в простых опытах школьной лаборатории.

Наиболее важной характеристикой различных процессов является энергия, при которой происходят те или иные процессы. Мы знаем, что в нормальном состоянии в большинстве своем вещества находятся в твердом состоянии. При нагревании твердого тела (т. е. при затрате определенной энергии) его можно расплавить. При затрате большей энергии жидкость можно довести до кипения и, таким образом, перевести вещество в газообразное состояние. В газе мы имеем дело с отдельными молекулами. Повышая дальше температуру (затрачивая больше энергии), можно разбить молекулы на атомы, ионизовать атомы — отделить от них электроны. Для того чтобы ионизовать, например, атом водорода, т. е. отнять у единственного протона его единственный электрон, требуется энергия 13,5 электронвольт (эВ). Соответствующая этой энергии температура порядка 150 000 градусов. При исследовании ядра и элементарных частиц энергии достигают очень больших величин, поэтому мы будем пользоваться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10⁹ эВ), в шкале температур это четырнадцатизначное число. В зависимости от того, с какими энергиями, с каким состоянием вещества мы имеем дело, проявляются различные свойства материи, проявляется действие различных сил природы.

Все силы, действующие в природе, сводятся сегодня к четырем (в действительности к трем, и мы к этому вернемся) силам, считающимся фундаментальными. Это гравитационная сила, самая универсальная. Она действует между всеми составляющими материи. Электромагнитная сила, действующая между зарядами, одноименными и разноименными, неподвижными и движущимися. Сильная ядерная сила, действующая внутри ядра и обеспечивающая удержание заряженные протонов и незаряженных нейтронов. Слабая сила, ответственная за радиоактивные превращения, в частности за то, что наше Солнце светит.

Законы действия этих сил различны, и у каждой из них своя «сфера влияния». Гравитационная сила прекрасно описывается законом Ньютона. Она убывает с расстоянием медленно, по закону обратных квадратов, так что ее действие распространяется очень далеко, а по величине она прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел. Константа взаимодействия (коэффициент пропорциональности) — очень маленькая величина, так что гравитационная сила существенна лишь для очень массивных тел. Гравитационное взаимодействие двух бильярдных шаров, например, ничтожно, тогда как их взаимодействие с землей мы видим воочию.

Есть еще такой пример. Если бы атом водорода удерживался только за счет гравитационного взаимодействия между электроном и протоном, его размер был бы сравним с размерами видимой Вселенной. Иначе говоря, электрическое взаимодействие, за счет которого удерживается электрон возле протона, в 10³⁶ раз больше их гравитационного взаимодействия. Так что в мире элементарных частиц гравитационным взаимодействием можно пренебречь. Все так, пока мы имеем дело с привычными для нас вещами. Для полного описания теории гравитации понадобился гений Эйнштейна. И это еще не все. Именно гравитационная сила, столь ясно представленная Ньютоном, полностью описанная Эйнштейном в общей теории относительности, оказалась самой строптивой в свете современных представлений.

Электромагнитное взаимодействие не столь универсально, как гравитационное, но именно ему мы обязаны практически всем, что нас окружает: электрическая лампочка, радио, поверхностное натяжение в жидкостях, упругость твердых тел, химические реакции, обыкновенное трение, каждый атом, наконец. И для этих самых разных явлений существует один и тот же свод законов — электродинамика Максвелла.

Там, где начинают сказываться квантовые эффекты, вступает в силу квантовая электродинамика, основы которой заложил Дирак. Исходя из своего уравнения, того самого, которое «описывает почти всю физику», Дирак предсказал существование первой античастицы. Самым существенным в теории Дирака было то, что частицы и силы в ней были объединены в один объект — квантованное поле. Квантовая электродинамика — это теория квантованных сил. Действие этих полей осуществляется с помощью квантов поля — переносчиков электромагнитного взаимодействия — фотонов. Один заряд узнает о существовании другого заряда, получив от него «информацию» в виде фотона. Квантовая электродинамика — самая точная из всех теорий. И по ее подобию строятся теории двух других взаимодействий, сильного ядерного и слабого.

Квантами сильного ядерного поля — переносчиками сильного взаимодействия — являются глюоны. Так же как фотоны осуществляют взаимодействие между электрическими зарядами, глюоны осуществляют взаимодействие между цветовыми зарядами кварков. Глюоны, так же как и кварки, цветные. Glue по-английски клей. Специфика сильного квантового поля такова, что при увеличении расстояния между кварками интенсивность их взаимодействия сначала падает, а затем возрастает настолько, что при расстояниях порядка размеров ядра (10^–13 см) кварки невозможно «растащить» — глюоны склеивают их напрочь. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось обнаружить кварки в свободном состоянии. Сильные взаимодействия описываются квантовой хромодинамикой, т. е. квантовой цветодинамикой. Пожалуй, мы дошли до того места, где вправе сказать: «Вначале была механика…» И как здесь не вспомнить слова великого Ньютона: «Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным» [51, с. 196]. К этому «великому океану истины» и ведут все пути физиков.

Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивные превращения, осуществляется посредством обмена промежуточными векторными бозонами. В отличие от фотонов и глюонов, не обладающих массой покоя, кванты слабого поля — массивные частицы. Их масса в сто раз превышает массу протона, она, сравнима с массой ядра стронция. Радиус действия слабого взаимодействия самый короткий, 10^–16 см. Кванты слабого поля образуют триплет и имеют следующие обозначения: W⁺, W^–, Z⁰. Первые два несут электрические заряды, третий электрически нейтрален.

Немного истории. Как мы знаем, Беккерель открыл радиактивность солей урана еще в прошлом веке, в конце. Затем Резерфорд и супруги Кюри установили, что радиоактивное излучение состоит из трех видов: альфа-лучей (ядра атомов гелия), гамма-лучей (поток фотонов) и бета-лучей (поток электронов). Самыми непослушными оказались бета-лучи. При помещении радиоактивного источника в магнитное поле альфа- и гамма-лучи вели себя как полагается (альфа-лучи отклонялись всегда на один и тот же угол), фотоны магнитного поля не чувствовали, а бета-лучи при одном и том же магнитном поле отклонялись на самые разные углы, целый диапазон значений, т. е. каждый раз имели различные энергии, а не единственную, полагающуюся для непременного соблюдения закона сохранения энергии. Получалось, что с явлением бета-излучения нарушался самый главный закон природы.

Загадка бета-излучения оставалась нерешенной вплоть до начала 30-х годов. В 1931 г. Паули выдвинул совершенно необычную гипотезу, предположив, что бета-лучи, кроме электронов, состоят еще из неуловимых частиц, не имеющих заряда и почти не имеющих массу. Энергия этих загадочных частиц должна была подстраиваться к энергии электронов каждый раз так, чтобы их суммарная энергия всегда оставалась одной и той же, такой, чтобы не нарушался закон сохранения энергии.

Идея Паули о чудных частицах ни у кого не получила одобрения, да и сам Паули не очень на ней настаивал. Лишь после открытия нейтрона Паули вновь вернулся к своей идее и предположил, что за бета-радиоактивность ответствен распад нейтронов ядра на протоны, электроны и те самые частицы без заряда и без массы. С этой гипотезой он выступил на Сольвеевском конгрессе 1933 г. Вскоре Энрико Ферми построил феноменологическую теорию бета-распада. Он же, в чисто итальянском духе, назвал частицу Паули нейтрино. Нельзя судить великих, но мне всегда казалось, что Ферми поступил несправедливо, мог бы назвать эту частицу и «паулино». Казалось, загадка бета-излучения была решена. Но то, что эта загадка останется на многие годы, ни Ферми, ни кто другой не предполагал, и это нисколько не помешало созданию реакторов и атомных бомб, где бета-распад — непременное звено.

Теория слабых взаимодействий была сформулирована окончательно к 1971 г. Самым существенным в ней было то, что она не только описывала слабые взаимодействия и предсказывала существование массивных частиц (с указанием массы) — переносчиков этого взаимодействия, но содержала в себе теорию электромагнитного взаимодействия. Обмен W-бозонами, как уже отмечалось, происходит на расстояниях порядка 10^–16 см. На таких расстояниях масса W-бозонов уже не существенна, а потенциал взаимодействия похож на потенциал взаимодействия электрических зарядов. Теперь промежуточные векторные бозоны и фотоны оказались равноправными переносчиками уже электрослабого взаимодействия. Окажись эта теория верной, можно было бы торжествовать по поводу того, что сделан важный шаг на пути к объединению различных сил природы. В 1979 г. Глэшоу, Вайнберг и Салам разделили Нобелевскую премию за разработку электрослабой теории. И хотя косвенные (но очень важные!) доказательства правильности электрослабой теории к этому времени уже появились, в связи с премией возникла шутка: а вернут ли лауреаты деньги, если не будут обнаружены промежуточные векторные бозоны?

В марте 1983 г. вышла в печати коротенькая статья, в аннотации которой было сказано, что «как геометрия, так и число событий находятся в соответствии с предсказанным в процессе p + p→W^± + нечто, с W→e + ν, где W^± — заряженный промежуточный векторный бозон, постулированный в объединенной электрослабой теории». Число авторов этой статьи 59, и над фамилией каждого стоит маленькая буква, означающая принадлежность автора к той или иной лаборатории мира. Эксперимент проводился в ЦЕРНе, на протонном суперсинхротроне.

Летом того же 1983 г. на том же синхротроне были получены Z⁰-бозоны. Число авторов этого сообщения выросло до 138.

Промежуточные векторные бозоны были обнаружены. Массы их в точности совпали с предсказанными в электрослабой теории. Это был истинный триумф.

Число фундаментальных взаимодействий свелось к трем: гравитационное, сильное и электрослабое. Что же дальше?

Дальше нужны энергии. Если объединение электромагнитного и слабого взаимодействий происходит при энергии порядка 100 ГэВ и именно эта энергия была реализована при обнаружении W-бозонов, то энергии, при которых ожидается объединение сильного и электрослабого взаимодействий, оцениваются в 10¹⁵ ГэВ. Это огромная энергия. Упомянутый уже ускоритель СПС, на котором было подтверждено объединение электромагнитного и слабого взаимодействий, имеет диаметр 2,2 км, окружность 7 км, магнитные поля десятки тысяч гаусс (магнитное поле Земли 1 Гс). Если бы можно было построить ускоритель вдоль всего экватора Земли и создать мощнейшие магнитные поля, отбросив все побочные эффекты, можно было бы получить энергию порядка 10⁷ ГэВ. Мало. Для получения еще восьми порядков надо было бы иметь ускоритель с диаметром, в сотни раз превосходящим диаметр Солнечной системы. Что же касается объединения гравитационного и «электросильнослабого» взаимодействий, то оно должно происходить при энергиях 10¹⁹ ГэВ. Это так называемая энергия Планка, и если она когда-либо была реализована, так это в течение 10^–43 с после Большого Взрыва, когда, по существующей ныне теории происхождения нашей Вселенной, она родилась.

Такова ситуация для бедных экспериментаторов.

Что касается теоретиков, то у них эти энергии получаются легко, нужны лишь карандаш и бумага, и еще нужно быть хорошим теоретиком. Эйнштейн потратил последние 35 лет своей жизни на поиски единой теории электромагнетизма и гравитации. Бесплодно. Еще Риман мечтал найти связь между «электричеством, гальванизмом, светом и тяготением». Не только мечтал, а находил эту связь и считал, что продвинулся в этом вопросе далеко. Самое поразительное, и мы об этом писали, что Риман не только искал единство этих сил, но еще связывал их с кривизной нашего пространства. Но слишком рано родился Риман. Первый шаг к объединению различных сил природы сделал Максвелл. Во времена Максвелла все явления природы полагалось описывать законами механики. Даже Максвелл с трудом преодолел этот барьер и показал, что электричество и магнетизм присущи самой природе, их нельзя получить из законов механики и что эти два, казалось, независимые свойства природы являются различными проявлениями одного и того же явления — электромагнетизма.

Следующий шаг, как мы знаем, был сделан лишь 120 лет спустя, сегодня, когда создана электрослабая теория.

В одной своей лекции Салам говорил: «Стараясь сейчас показать вам, как менялись представления о фундаментальных силах, я вспоминаю урок своего первого учителя физики, когда в 1935 г. я учился еще в моем родном городе Джангмагхияма в Пакистане. Учитель познакомил нас с тяготением и теорией Ньютона. Потом он рассказал о магнетизме, и так как магниты были доступны даже в Джангмагхияме, он говорил об этой силе как о фундаментальной. Затем он сказал, что есть и еще одна сила, называемая электрической, но ее „можно найти“ только в столице, Лахоре, в 50 милях к востоку, ядерные же силы „есть только в Европе“» [52, с. 177]. Сегодня Салам — один из авторов электрослабого взаимодействия.

Следующий шаг — объединение электрослабого и сильного взаимодействий — одна из самых актуальных проблем фундаментальной физики. Здесь создаются модели, самые разные; многие очень изящны. По этой проблеме проводятся школы и конференции, симпозиумы и семинары. Пожалуй, самое магическое сочетание букв на сегодня, это ТВО — Теория Великого Объединения. ТВО должна включать, конечно, и гравитацию. Но именно с гравитацией связаны самые большие сложности. Полную теорию гравитации, как мы знаем, создал Эйнштейн, осуществив мечту Римана связать силы природы с кривизной нашего пространства. Гениальность теории Эйнштейна заключается в том, что в ней инертная масса вещества отождествляется с гравитационным зарядом, который выражается через кривизну четырехмерного пространства-времени. «Секрет достижения Эйнштейна (по моему мнению, величайшего в истории физики), — писал Абдус Салам, — состоит в том, что он осознал фундаментальное значение заряда в гравитационном взаимодействии. Я хочу подчеркнуть, что, пока мы не поймем природу зарядов в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях так же глубоко, как это сделал Эйнштейн для тяготения, надежды на успех в окончательной унификации мало» [Там же, с. 194]. И дальше: «Мы хотели бы не только продолжить попытки Эйнштейна, в которых ему не удалось преуспеть, но и включить в эту программу остальные заряды (т. е. заряды слабого и сильного ядерных взаимодействий)» [Там же, с. 196]. Эта фраза наполнена глубоким смыслом.

Попытки Эйнштейна, о которых говорит Садам, — это 35-летний труд величайшего из физиков, направленный на объединение гравитации и электромагнетизма путем «геометризации» взаимодействий.

У Эйнштейна были различные подходы. Одно из направлений было связано с отказом от мероопределения Римана и переходом к более общим, неримановым геометриям. Другое направление, и оно стало главным, было связано с введением пятого измерения в римановой геометрии.

Уже говорилось о пятимерных теориях Калуцы и Клейна, о переписке Эйнштейна и Калуцы, из которой видно, что Эйнштейн восхищался идеей Калуцы, но высказывал определенные сомнения. Эти сомнения привели к тому, что работа Калуцы в течение двух лет не отсылалась в печать, Эйнштейн в нее просто не поверил. Письма Калуцы не сохранились, но из ответов Эйнштейна (пять его писем и открытка с корабля сохранились у сына Калуцы) видно, что в дискуссии с Эйнштейном Калуца ничего не менял в своей теории, а лишь убеждал Эйнштейна в правильности своего подхода, и Эйнштейн понял. В 1926 г. появилась работа О. Клейна, в которой, используя идею квантового подхода, он развивает теорию Калуцы.

Мы не будем говорить о дальнейшей судьбе этих работ, так же как и о судьбах работ самого Эйнштейна, Эйнштейна и Бергмана, о пятиоптике Румера и о множестве других работ по пятимерному обобщению. Интерес к этим работам постепенно угас. Слишком волнующими были результаты исследований ядра, элементарных частиц и их взаимодействий. Эти результаты открыли физикам так много, что на повестку дня (ирония судьбы) встал вопрос той самой программы, о которой говорил Салам. Программы, которая должна включить не только продолжение попыток Эйнштейна (добавим к этому — попыток Калуцы, Клейна, Румера, Йордана и многих других), но включить в эту схему сильное и слабое взаимодействия. И снова возникла необходимость в многомерных обобщениях. И снова произошел возврат к мечте Римана связать силы природы с кривизной нашего пространства.

И снова цитируются работы Эйнштейна и Бергмана, Калуцы и Клейна, Румера и Йордана, работы тридцати-, сорока-, пятидесяти- и более чем шестидесятилетней давности. Выходят даже книги с очень смелыми заглавиями, например «Единые теории поля более чем четырех размерностей» с подзаголовком «Включая точные решения». К этому подзаголовку никто не может остаться равнодушным, он вызывает неизменную улыбку. Никаких точных решений, связанных с многомерными обобщениями, кроме сугубо математических, пока нет. Но есть очень заманчивые идеи. Есть, например, попытки объединить все заряды — гравитон (квант гравитационного поля), фотон, промежуточные векторные бозоны и глюоны — в один заряд, связанный с кривизной одиннадцатимерного пространства.

Но мы-то знаем, что наш мир четырехмерен — высота, длина, ширина и время. Что же стало с остальными размерностями, как они проявляются, как представить себе одиннадцатимерное пространство, если оно и вправду одиннадцатимерное? И здесь нам не миновать вопроса о том, как соединилось «самое малое» и «самое большое», как тесно связаны сегодняшние проблемы физики элементарных частиц и космологии.

В стандартной космологической модели биография нашей Вселенной начинается с так называемого планковского времени, когда Вселенной было 10^–43 с от роду. Более ранние мгновения находятся за пределами теории гравитации. Спустя 10^–43 с после Большого Взрыва наша Вселенная была крохотным раскаленным шариком, размеры которого представить себе невозможно: диаметр шарика был равен так называемой длине Планка, 10^–33 см. Температуру шарика, 10³² градусов, тоже невозможно себе представить. Эта температура соответствует энергии Планка 10¹⁹ ГэВ. Плотность нашей Вселенной в это мгновение должна была составлять 10⁹⁰ кг/см³ — это бесконечность.

К этому моменту не было никаких зарядов, ни ядерных, ни электрослабых, а были лишь, сильные эффекты квантовой гравитации и был один заряд, соответствующий этому невообразимому гравитационному полю. И если был этот заряд, то, возможно, он был связан с кривизной столь же невообразимого одиннадцатимерного пространства. Спустя мгновение, когда Вселенной исполнилось 10^–35 с, она расширилась настолько, что температура ее упала на пять порядков (в сто тысяч раз), и родившиеся к этому времени кварки стали уже взаимодействовать. Соответствующая этому моменту энергия — порядка 10¹⁴ ГэВ. При этой энергии вступает в игру сильное взаимодействие и начинается синтез кварков, рождаются адроны, до бозонов и электронов еще далеко. По мере дальнейшего расширения Вселенной (пока мы находимся в адронной эре, понятие «по мере» соответствует тысячным долям секунды, масштаб времени пока еще очень плотный) вступают в силу слабые взаимодействия — начинается радиоактивный распад (например, распад свободных нейтронов на протоны, электроны и нейтрино), начинается лептонная эра. Когда возраст Вселенной приблизился к одной секунде, характерные энергии упали до 10^–3 ГэВ, рождение нейтронов становится затруднительным, но их энергии еще очень велики, чтобы они вступили в реакцию с протонами. Когда Вселенной исполнилось 100 с, энергия упала до 10^–4 ГэВ и начался синтез ядер, начинается эра гелия. С этого момента временнáя шкала сильно растягивается. Вселенная представляет собой «бульон» из ядер гелия, дейтерия, свободных электронов и нейтрино. Этот бульон эволюционирует уже очень медленно. Лишь спустя 106 лет, когда Вселенная расширилась настолько, что характерные энергии упали до 0,1 эВ (всего тысяча градусов), начинается образование атомов и вещество отделяется от излучения, от фотонов.

После этого начинается медленный процесс, который к 10¹⁰ лет после Большого Взрыва привел к образованию звезд и галактик, в том числе к образованию нашей галактики, нашей Солнечной системы, нашей Земли.

Пока модель Большого Взрыва работает хорошо, и в пользу этой модели есть свои космологические доказательства. Есть и трудности, но есть и неопровержимые факты. А теперь вернемся снова к мгновению 10^–43 с.

Сразу же после этого мгновения, как только Вселенная превысила планковский размер 10^–33 см, как только появились кварки и началось взаимодействие между ними, одиннадцатимерное пространство с его единственным зарядом сильной квантовой гравитации изменилось: семь размерностей пространства компактифицировались, скрутились в кольцо радиусом 10^–83 см.

С этого момента и по сегодняшний день мир воспринимается четырехмерным. Только лишь воспринимается, а в действительности он одиннадцатимерен, но лишь на таком недостижимо малом размере, как 10^–33 см!

Это примерно так же, как мы заболеваем гриппом, подхватив где-то вирус. Мы не можем видеть вирус невооруженным глазом, зато можем увидеть его в микроскоп, а электронный микроскоп открывает в вирусе целый мир. Ускорители — это те же микроскопы для изучения элементарных частиц. При обнаружении W-бозонов мы наблюдали события, происходящие на расстояниях 10^–16 см (радиус действия слабого взаимодействия), т. е. сегодня мы «видим» этот масштаб. Для этого, как уже говорилось, понадобились энергии порядка 100 ГэВ. Для того чтобы различить события, происходящие на расстояниях 10^–33 см, нам потребуется энергия 10¹⁹ ГэВ — энергия Планка. По поводу одиннадцатимерной теории Салам в одной своей лекции выделил курсивом слова: «Если эта теория верна, то, возможно, мы очень близки к окончательной, полной унификации всех сил… причем фундаментальные заряды оказываются в ней проявлениями скрытых размерностей пространства!» [Там же, с. 201].

Трудно сказать, по какому пути пойдут экспериментаторы, чтобы подтвердить или опровергнуть Теории Великого Объединения, которые сегодня создаются.

Работы как для теоретиков, так и для экспериментаторов впереди много. И здесь хочется повторить слова епископа Спрата, уже приведенные в начале книги и относящиеся к «третьему виду новых философов», узаконенных в качестве ученых лишь в XVII в., и снова сказать, что многое уже сделано и что «сомневаться… можно только в отношении будущих веков. И даже им мы можем спокойно обещать, что они ненадолго будут лишены плеяды пытливых умов, ибо перед ними лежит так четко намеченный путь; ведь им достаточно только вкусить этих первых плодов и вдохновиться этим примером».

Ну что ж, вещие слова. «Вдохновиться этим примером» действительно очень важно. Но история науки показывает, что «четко намеченный путь» нужно было менять кардинально для дальнейших успехов. И хотя нам тоже кажется, что сегодня путь четко намечен, право судить и связывать корни современной науки, сегодняшние наши достижения с новыми открытиями, которых еще нет, будет привилегией будущих поколений.

Давайте напоследок пофантазируем. Представим себе людей, даже не современников епископа Спрата, а живших всего 100–150 лет тому назад. Если воскресить их и показать им нашу действительность, все, что они увидят, покажется им настоящим чудом. Причем достаточно ограничиться самыми привычными для нас вещами, попросту бытом: скажем, телефон, телевизор, реактивные самолеты, детские радиоконструкторы с готовыми платами, из которых десятилетний мальчик за полчаса без всякого паяльника, просто привинчивая разные транзисторы и резисторы куда следует, соберет примитивное устройство и услышит в наушники четкую передачу из безмолвного эфира, покрутит ручку и найдет в этом эфире сказку или песню.

А теперь зададимся вопросом: что может стать для нас сравнимым чудом через 100–150 лет, чудом для нас, обыденностью для будущих поколений? Я задавала этот вопрос в различных ситуациях людям разных возрастов и разных профессий. Самые осторожные и, по-видимому, самые правильные ответы давали умудренные опытом ученые. Эти ответы, высказанные в различной форме, можно свести к одному универсальному виду: ответить на этот вопрос невозможно. Чудо предсказать нельзя. То, что предсказуемо, уже не чудо. Эта точка зрения кажется тривиальной, но ее особенность в том, что она отражает характер ученого. Вспомним историю слабых взаимодействий, как для объяснения взаимодействия легких частиц было предсказано существование очень тяжелых частиц. Это, как сказал руководитель протонного суперсинхротрона Джон Адамс, было похоже на то, «как если бы вы, с силой ударив друг об друга пару карманных часов, вместо россыпи шестеренок обнаружили вдруг дедушкины настенные часы» [53, с. 240]. И «дедушкины настенные часы» были обнаружены. И, с точки зрения ученых, это не чудо, это обыкновенная работа физиков. А что касается чудес, то их с легкостью придумывают дети и писатели-фантасты.

С точки зрения детей, через 100 лет, может быть, не надо будет учить уроки. Съел таблетку от английского — и получил пятерку, съел таблетку от физики — и все знаешь. «У меня сейчас болеет бабушка, — сказала одна девочка, — я ее очень люблю. Может быть, через 100 лет будет такой прибор, похожий на стеклянный шар, куда посадят больного, включат приборы, и на экранах появятся сигналы. Эти сигналы примет ЭВМ и передаст их более сложному прибору, который сработает, как надо, и устранит причину болезни».

А один двенадцатилетний мальчик, услышав вопрос, задумался и очень обстоятельно стал рассуждать о том, что вряд ли нужно ждать каких-либо чудес через 100 лет. Он говорил о том, что человеческое общество развивалось и будет развиваться очень неравномерно. Когда человеку многого не хватало, он много изобретал. А теперь человек сделал так много, что дальше, во всяком случае в технике, все будет идти по «пути совершенствования, и только». Ну, например, через 100 лет у самолетов не должно быть крыльев, да и пилотов тоже, и все будет автоматизировано. Люди сядут в самолет без крыльев, диспетчер нажмет на кнопки, и самолет сядет в точно установленном месте, в точное время, независимо от погоды и курортного сезона. Но это не чудо, а завтрашний день. В общем, все будет совершенствоваться, и все изменится примерно так же, как изменились автомобили от первых смешных моделей до современных лимузинов. Они ведь очень непохожие внешне, а двигатель все тот же, даже когда его ставят поперек. Вот так.

Уже один ответ этого мальчика, который с девяти лет занимается программированием, является чудом для наших предшественников. В конце своих серьезных рассуждений мальчик вдруг звонко рассмеялся и сказал: «Вчера мы отладили нашу новую программу окончательно. Знаете, был такой физик Резерфорд. Ну и намучился он, пока обстреливал атомы и понял, что внутри атома сидит ядро. На нашей машине это получается запросто. Так вот, мы отладили всю программу, и у нас оставалось полчаса машинного времени. А наш учитель Геннадий Анатольевич, по прозвищу Зеленый, заставлял нас для верности прогнать программу еще раз. Но мы-то знали, что это ни к чему, и ввели в машину процедуру высветить тысячу раз слово „зеленый“, а Геннадий Анатольевич смотрел на экран дисплея и каждый раз говорил: „И все это я должен терпеть, и все это я должен терпеть“. Может, он и сказал бы это тысячу раз, да его позвали к телефону». Для этого мальчика электронные часы и дискетки компьютера так же привычны, как для нашего послевоенного поколения заводные мотоциклисты и бумажные елочные игрушки. Он хочет стать биофизиком, когда вырастет: «Живая природа интереснее кристаллов, но сначала надо изучить физику и перенять ее опыт. Надо же человеку когда-нибудь заняться изучением самого себя».

Здесь я не могу не вспомнить еще один ответ на вопрос о грядущих чудесах. Это ответ одного высохшего от времени и забот старого индуса, который всю свою жизнь принимал роды у своих соплеменниц и никогда не покидал своей маленькой деревни близ Джайпура. Он отвечал на мой вопрос не торопясь, играя четками.

Говорил он примерно следующее. Человек одновременно начал создавать орудия труда и охоты, рисовать и ваять, сочинять песни и сказания, строить жилище. Со временем все менялось и орудия труда, и жилище, а сказки не менялись. Просто потому, что в сказках человек мечтал, а мечтал он всегда об одном и том же: о счастье, о любви, о победе добра над злом. Вот мы иногда говорим «как в сказке», в основном относительно какого-нибудь приятного события, имея в виду, что оно произошло как бы само собой, по какому-то волшебству. А ведь в сказке ничего само собой не бывает. Чтобы победить, добрая сила проходит через многие испытания, и совсем не легкие. Зла много, оно сильное и хитрое, и ему не писаны законы. И если доброй силе не помочь, она может и не победить зло. Вот тут и появились ковры-самолеты, послушные джинны, волшебные палочки, которые могут осушить море или разлить море, волшебные зеркальца, которые видят на расстоянии, скатерти-самобранки и, наконец, живая вода. Так человек мечтал двигаться быстро, мечтал управлять морем и сушей, мечтал видеть и слышать на расстоянии, и всего этого он достиг.

«Да и до скатерти-самобранки, наверное, недалеко. Я слышал, что в вашей стране уже давно делают икру из керосина. Но эта мечта — накормить каждого человека на земле досыта — еще не осуществлена, — сказал старик очень серьезно, — и человек будет стремиться к этому чуду. Ну, а живая вода — чудо из чудес, она и станет главной целью будущих людей. Но не найти человеку живую воду, пока он не сделает небо над землей чистым, пока не изживет из своей груди злой умысел, пока не станет доброта главной. К этому люди и должны прийти».