Киви Берд - Книга о странном (с иллюстрациями)

Поначалу Пенроуза привели к концепции твисторов результаты собственных исследований структуры пространства-времени, в результате чего он увидел широчайшее поле приложений для этой новой математической конструкции. Но и по сию пору твисторы продолжают оставаться относительно малоизвестной областью даже в сообществе математической физики. Причины тому лежат сильно за пределами возможностей данного текста, однако по свидетельству специалистов теория предоставляет весьма элегантный формализм как для общей теории относительности, так и для квантовой теории.

Теорию твисторов можно рассматривать двумя различными способами – математическим и физическим. С одной стороны, это геометрический аппарат для новых математических методов работы с нелинейными уравнениями. Но есть за всем этим и другая, значительно более амбициозная программа – теория твисторов для физики, претендующая, по сути дела, на роль «теории всего». Здесь общепринятое описание пространства-времени заменяется некоторой формой геометрии твисторов, что позволяет по-новому понять природу физического мира.

Начиная с 1970 г. Роджер Пенроуз совместно со своими единомышленниками и учениками работает над воплощением этой «твисторной программы», разветвившейся на два направления. Одно занимается переформулированием общей теории относительности, т. е. гравитации в термины твисторной геометрии. Второе – переформулированием теории квантового поля (иначе элементарных частиц и сил в плоском пространстве-времени). Для успеха программы в целом эти направления должны когда-нибудь слиться. Исследователи уже нащупали, по их мнению, некоторые многообещающие точки соприкосновении, но пока что работы эти ведутся независимо. Основные области исследований – разработка связей теории твисторов с эйнштейновской общей теорией относительности, что по мнению Пенроуза является ключом ко всему остальному. Если эту взаимосвязь удастся прояснить, то появится путь к объединению общей теории относительности и квантовой механики. В настоящее время, как известно, здесь имеется очень большой разрыв.

Сейчас Пенроуз пишет книгу, в которой пытается обсудить все популярные ныне физические модели, претендующие на роль «теории всего», включая, конечно, и собственное детище, теорию твисторов. Ныне Пенроуз вполне определенно признает, что теории твисторов не удалось решить некоторые из важнейших проблем, которые казались разрешимыми с помощью данного аппарата. Однако, по мнению автора, его теория «еще очень даже жива».

Еще одна важнейшая «забава» Пенроуза – работа над проблемой измерений в квантовой механике. По глубокому убеждению ученого, современной физикой оказалась полностью упущена по крайней мере одна важнейшая область. И когда она будет освоена (по надеждам Пенроуза, в течение ближайших лет 50), это станет величайшей научной революцией. Такую революцию должно будет совершить отыскание ответа на простой, в общем-то, вопрос: «Как понимать квантовую механику?». Всем ясно, что квантовая механика описывает феномены микромасштаба – события, происходящие с атомами, молекулами, частицами. Найденные правила вроде бы хороши, но ведь стоит их попытаться применить к макрообъектам, как они сразу же оборачиваются полнейшей чепухой. Эти правила будут уверять, что футбольный мяч, к примеру, одновременно может быть и «здесь», и «там».

Сейчас существует огромное количество способов для объяснения и обхода этой вопиющей нестыковки. Однако, как считает Пенроуз, на самом деле это свидетельствует лишь о том, что теория просто неправильна и что существует некий уровень, на котором вещи переходят из квантового состояния в классическое.

По мнению ученого, сейчас вполне можно оценить, что это за уровень. Есть у него и предложения по экспериментальной проверке того, верна оценка или нет. Такие эксперименты позволят выявить тот самый уровень, на котором малые масштабы переходят в масштабы крупные. Один из экспериментов задумано устроить в космосе. И если результаты его будут соответствовать ожидаемым, то будет получено веское свидетельство тому, что квантовая механика явно нуждается в кардинальной революции.

Так что забава Пенроуза под названием «А тут вхожу я и говорю…» продолжается.

6.2. Великий инакомыслящий

В февральском, 2001 года номере журнала Scientific American опубликована заметка «Большой взрыв: шутка или истина?», авторы которой в очередной раз обращаются к одной из самых сложных, возможно, проблем современной космологии да и всей науки вообще: «Как произошла наша Вселенная?». Ответа на этот вопрос статья, понятное дело, не дает, но зато приводится в ней один весьма занятный факт, редко кем упоминаемый, а потому, очевидно, и малоизвестный.

Термин «большой взрыв», которым именуется наиболее общепринятая на сегодняшний день теория происхождения всего сущего, появился на свет в начале 1950 года. Подарил его миру, сам того не желая, тогда еще сравнительно молодой английский космолог с весьма оригинальной и впечатляюще четкой манерой суждений, ныне известный всему миру как сэр Фред Хойл – патриарх астрофизики, талантливый математик, автор более 40 примечательных книг, от научно-популярных и чисто научных монографий до фантастических романов, театральных пьес и даже либретто для оперы.

В 1950-м году до всего этого было еще далеко, однако уже тогда проявлявший свои разносторонние таланты Хойл был не только ученым в Кембридже, но также автором и ведущим цикла субботних радиопередач по Третьей программе Би-би-си. Эти посвященные науке передачи возникли на радио довольно спонтанно, однако имели бешеный успех у публики и входили в верхние строчки национального рейтинга популярности. И вот в суматошной обстановке последней передачи цикла, буквально на лету, у Хойла и родился глумливый термин «big bang», или «большой взрыв». В намерение ученого ни в коем случае не входило одобрение этой теоретической концепции. Совсем даже напротив – под этим несерьезным именем Хойл намеревался ее похоронить. По иронии судьбы, в науке проявляющейся ничуть не реже чем в обычной жизни, именно этому насмешливому названию и было суждено прижиться в истории, навсегда обозначив космогоническую теорию, постепенно ставшую доминирующей и общепризнанной.

Здесь, видимо, следует напомнить, что согласно общей теории относительности в истории Вселенной должна быть некая точка (именуемая сингулярностью), в которой сама эта теория неприменима. Наблюдения свидетельствуют, что Вселенная расширяется. Во всех моделях расширяющейся Вселенной имеется общая черта: в какой-то момент в прошлом (10-20 млрд. лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент, который и называют Большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны быть бесконечными, а такими вещами наука оперировать не умеет. Поэтому, если что и происходило до Большого взрыва, то эти события никак не могут иметь для нас каких-либо последствий, следовательно, с научной точки зрения их следует исключить из модели, а момент Большого взрыва считать началом отсчета времени.

Идея Большого взрыва, а особенно то, что у времени было начало, по ряду причин не нравилась многим. Хотя бы потому, что насквозь пропитанные атеизмом ученые видели здесь намек на вмешательство неких божественных сил в процесс творения мироздания. Видели это, надо сказать, не только ученые, так что в 1951 году в поддержку модели Большого взрыва выступила и католическая церковь, заявившая, что эта теория согласуется с Библией.

Поэтому ученым хотелось иметь альтернативу Большому взрыву, не только затягивающему науку в сингулярную точку, где происходит совершенно непонятно что, но еще и намекающему на волю божью. Именно такую альтернативу предлагала модель «стационарной вселенной», одновременно разработанная к 1948 г. кембриджским ученым Фредом Хойлом и его австрийскими коллегами, математиком Германом Бонди и астрономом Томасом Голдом, еще до войны иммигрировавшими в Англию из-за гитлеровской оккупации.

Их идея состояла в том, что по мере разбегания галактик на освободившихся местах из нового непрерывно рождающегося вещества все время образуются новые галактики. Следовательно, несмотря на расширение, во все моменты времени и во всех точках пространства вселенная имеет примерно одинаковую плотность и выглядит примерно одинаково. Стационарная модель была простой, хорошо вписывалась в известные к тому времени экспериментальные данные, а потому имела одно время более широкую популярность, нежели модель Большого взрыва. Но, как констатирует Хойл в одной из своих книг, «к середине 1960-х с теорией Стационарного состояния что-то пошло не так», поскольку новые экспериментальные данные стали противоречить этой модели и более вписывались в концепцию Большого взрыва. В итоге именно на нее и стало ориентироваться подавляющее большинство космологов. Большинство, но не Хойл.