О пространстве, времени и материи XXI века

Василий Стражев

ректор Белорусского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессор

О пространстве, времени и материи XXI века

Очевиден очередной отрыв физики высоких энергий (которая постепенно становится синонимом космологии) от «народных масс», причем уже и «физических народных масс». Поэтому использование аналогии становится неизбежным, если стремиться к разъяснению сути происходящего. Понимая, конечно, что любая аналогия не есть доказательство. Современное состояние представления о материи, пространстве и времени весьма напоминает ситуацию перед созданием специальной и общей теории относительности (теории тяготения Эйнштейна) и открытием электрона. Правда, есть и существенное отличие. Тогда в полной мере не осознавалось пришествие грандиозных перемен в физическом описании мироздания и то, что электрон — ключик к тайнам микромира, который оказался совершенно не похожим на тот, к которому уже успели «привыкнуть».

В то же время вряд ли кто-нибудь из специалистов возьмет на себя смелость сегодня утверждать, что хотя мы и не нашли решения очередной загадки Природы, но точно знаем, где его искать. Нынешняя теоретическая ситуация весьма напоминает время атомной теории Бора. Она была несомненным научным прорывом, но и содержала в себе такие существенные для нее элементы, которые, как затем оказалось, были лишь «строительными мостами», а отнюдь не частью здания. С учетом этих оговорок и следует воспринимать последующее изложение новых представлений и взглядов на пространство, время и материю.

Наблюдения за движением скоплений галактик дали основания в 30-х гг. ХХ столетия для предположений, что в них находится «скрытая» масса, невидимая из-за отсутствия электромагнитного излучения. Фактом является гравитационная устойчивость этих скоплений. Масса галактик, определенная методами практической астрономии, значительно меньше той, которая необходима для устойчивости галактических скоплений. Так возникла гипотеза о «скрытой» массе, проявляющей свое существование через гравитационное воздействие на видимую материю.

Массы многих скоплений, рассчитанные на основании факта их устойчивости (то есть исходя из определяемой на этом основании силы тяготения), должны быть в десятки, а то и в сотни раз больше массы, установленной суммированием масс каждой галактики в отдельности. Первым, обратившим внимание на эту парадоксальную ситуацию, был в 1933 г. американский астрофизик Цвикки. В настоящее время эта «скрытая» масса связывается с существованием во Вселенной материи, состоящей из частиц, физическая природа которых пока непонятна, получившей название «темной» (dark matter).

Если «темная» материя является решающим фактором существования галактических скоплений и если она — неотъемлемая часть Вселенной, то ее присутствие должно проявляться и в самих галактиках. И нет убедительнее кандидатуры для решения такой задачи, чем «наш» Млечный Путь. После проведения многочисленных наблюдений звезд, находящихся на его периферии, выяснилось: они так быстро вращаются вокруг его центра, что под действием центробежных сил должны были бы разлететься, если бы Млечный Путь состоял только из материи, которая светится. Достоверно известно, что суммарная гравитационная сила светящейся (видимой) материи (звездные скопления, отдельные звезды с планетарными системами, белые карлики, кометы, межзвездное вещество, черные дыры) не может обеспечить «цементирование» галактики как единого целого. Именно присутствие «темной» материи в Млечном Пути (как и в иных галактиках) позволяет сохранять ему свою форму. Столь сильную силу тяжести может создать именно она, а не материя, которую мы наблюдаем непосредственно.

Для существования и проявления «темной» материи возможна следующая аналогия. В отдалении от нас находится новогодняя елка, украшенная гирляндами электрических лампочек. Ночью можно различить отдельные лампочки (звезды), их соединения (галактики), совокупности гирлянд (скопления галактик). Но нельзя

распознать, что же становится причиной их распределения в пространстве. Зная физическую природу этого явления, мы понимаем, что гирлянды имеют материальную опору, роль которой играет ель. «Темная» материя и есть та «ель», которая удерживает галактики и звезды в галактиках. Только из чего она состоит, пока неизвестно.

Конечно, во Вселенной есть вещество, которое может ускользать от нашего наблюдения. К нему можно отнести нейтронные звезды и черные дыры, остывшие звезды и межзвездный газ, кометы и космическую пыль, коричневых и белых карликов и т.д. Но вопрос состоит в том, какую часть от массы видимого вещества Вселенной может составлять масса ненаблюдаемой (но известной природы) материи. А она (часть), по имеющимся данным, не объясняет поведение видимой материи.

Полагают, что «темная» материя, как и видимая, из которой мы состоим, образовалась после Большого взрыва, то есть на ранней стадии развития Вселенной. Высокая температура горячей (ранней) стадии космической среды содействовала рождению не только известных элементарных (фундаментальных) частиц, но и гипотетических частиц большой массы, которые и могут оказаться частицами «темной» материи.

Полагают также, что узлы «темной» материи могли послужить причиной образования ядер будущих звезд и галактик. «Темная» материя после рождения Вселенной могла конденсироваться примерно так же, как капли воды на паутине. Обычная материя в виде водорода притягивалась к этим узлам и по мере увеличения плотности зарождалась звезда.

То, что физикам сегодня известно о свойствах «темной» материи, укладывается в четыре утверждения: частицы, из которых она состоит, стабильны, не имеют электрического заряда, участвуют в гравитационном взаимодействии, слабо взаимодействуют с обычным (видимым) веществом.

Разумеется, существуют подходы, в которых предлагается объяснение эффекта «скрытой» массы в рамках модификации принятой сегодня теории тяготения. Однако появляются все новые и новые экспериментальные данные, которые могут быть объяснены только существованием нового типа материи («темной»).

Согласно Платону, есть четыре основных элемента, названные им огнем, водой, землей и воздухом, из которых состоит все сущее на Земле (с современной точки зрения, эти понятия можно трактовать как описание четырех форм существования вещества: плазма, жидкость, твердое тело, газ). Учение Платона (427—347 гг. до н.э.) о строении мира развил Аристотель (384—322 гг. до н.э.), учеником которого он был в афинской Академии. Аристотель, принимая во внимание существование небесных тел, пришел к выводу о существовании пятого элемента, который назвал эфиром. При переводе трудов Аристотеля на латинский язык в употребление вошел смысловой перевод термина — квинтэссенция (пятая сущность). И почти 2,5 тыс. лет спустя неожиданно стало ясно: во Вселенной действительно имеется материя, существующая в стабильной форме, но состоящая из частиц, нам неизвестных! Иными словами, «на небесах» есть потребность в элементах, не встречающихся в видимом для нас мире, включающем планеты и звезды.

Но появление «темной» материи — это еще не весь сюрприз, который приготовила нам Природа. В 1998 г. было обнаружено: далекие сверхновые звезды светят не так, «как надо», то есть они расположены от нас дальше, чем им следовало быть, если бы их движение определялось наличием во Вселенной только сил гравитационного притяжения. Иными словами, из результатов наблюдения выходило, что небесные объекты, начиная с определенного момента времени, стали двигаться с ускорением! Но такое возможно только в случае, если наряду с силами притяжения во Вселенной имеются и силы отталкивания (антигравитация), проявляющие себя на космических расстояниях, сравнимых с размерами Вселенной. Для большинства людей, изучавших физику в старших классах школы, достаточно очевидным является утверждение, что законы, справедливые при описании движения объектов привычных размеров, нельзя применять в атомных масштабах. Возникает естественный вопрос: а как обстоит дело в случае с Вселенной? Появление понятия «темной энергии» определяет и ответ на него: в таких глобальных масштабах могут действовать законы, которые невозможно установить, изучая микромир или процессы, происходящие только в земных масштабах. И если «темная» материя по современным оценкам составляет около 23% всей массы Вселенной, то на «темную энергию» (так названа новая форма материи, которая обнаруживает себя посредством влияния на скорость расширения Вселенной) должно приходиться до 72% ее массы. Таким образом, на видимую материю выпадает лишь одна двадцатая всей материи Вселенной.

Наличие «темной» материи и «темной энергии» показывает, что современные представления о материи — это представления ученика начального класса школы, для которого все премудрости науки исчерпываются букварем и умением складывать и вычитать в пределах десятка.

Теория, объединяющая квантовое описание гравитации и элементарных частиц, и которую называют квантовой гравитацией, в настоящее время не построена. Она, как предполагается, должна содержать объяснение существования и «темной энергии», и «темной» материи, которые будут следствиями исходно сформулированных положений.

В начале 90-х гг. прошлого века в США была издана книга под интригующим названием «Конец науки». В те годы казалось, что человек постиг тайну строения материи и остается только «шлифовать» эти знания. Появилось даже такое выражение: с ХХ веком ушла в историю «эпоха великих географических открытий в области естественных наук». Отчасти такие настроения послужили причиной закрытия в США амбициозного научного проекта, предполагающего создание гигантского ускорителя элементарных частиц. Но прошло меньше десятилетия и выяснилось: физика весьма далека от понимания строения материи, которая отнюдь не исчерпывается известным нам веществом. Постижение тайны «темной» материи может оказаться по своим следствиям сродни открытию первой элементарной частицы — электрона. Электрическая энергия, извлеченная человеком из недр вещества с помощью электрона, является сегодня основой технологической цивилизации. Второй частицей стал протон (образует ядро водорода, а в содружестве с нейтроном, ближайшим «родственником», — ядра остальных химических элементов). Эта частица привела нас

№12(46)_2006 НАУКА И ИННОВАЦИИ

15

в мир ядерной энергии, к атомным электростанциям (и, к сожалению, атомной бомбе), а в скором будущем — к термоядерным источникам энергии. И вполне может случиться так, что открытие нового типа материи со временем может привести человечество к овладению принципиально новыми источниками энергии!

Все больше и больше внимания привлекает одна из теоретических разработок в физике элементарных частиц, которая известна как теория струн. Побудительным мотивом для ее возникновения было желание понять, как можно теорию тяготения Эйнштейна (или общую теорию относительности — ОТО) согласовать с квантовой теорией, описывающей взаимодействия элементарных частиц. В микромире силы гравитации ничтожны и про них можно «забыть». В силу этого, хотя проблему и пытались решить (безуспешно) в рамках известных квантовых положений, она не была столь острой, какой стала ныне. Что изменилось? Только одно: человек (космолог или физик-теоретик) «добрался» в своих наблюдениях до момента «сотворения» Вселенной. И для этого мига гравитацию и квантовую теорию (или теорию элементарных частиц, что почти одно и то же) уже нельзя разъединить, так как предметом изучения является физическое событие, которое невозможно описать без привлечения того и другого. Но теории квантовой гравитации пока нет. Более того, многие полагают, что с багажом ныне принятой теории элементарных частиц здесь далеко не уедешь.

Идея «теории струны» родилась в начале 70-х гг. прошлого столетия. Британский физик Майкл Грин и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института пришли к выводу: необходимо полностью отказаться от представления о том, что элементарная частица есть некий микрофизический объект, которому (его пространственному положению) можно поставить в соответствие геометрический образ точки. По их мнению, правильным образом элементарных частиц будет представление о них как о нити (струне, string). Она являет собой энергию, «упакованную» в пространстве таким геометрическим образом. Колебания струны (энергии, заключенной в ней) воспринимаются как проявление элементарных (фундаментальных) частиц, таких как, например, электрон и кварк.

Шварц и Грин не были первооткрывателями этой идеи. Она высказывалась и до них, но попытки ее математического описания ни к чему не приводили. Заслугой ученых явилось в первую очередь то, что они призвали «не ломиться в открытую дверь». Если не получается с математическим решением, если струна «не хочет» вибрировать в пространстве четырех измерений (три пространственных и одно временное), то только поэтому не стоит отказываться от такой красивой идеи. Следует поискать «иной мир», где не будет «противопоказаний» для соответствующего математического описания. И такой мир «нашелся». Он оказался десятимерным. Иными словами, в пространстве, в котором девять пространственных и только одно временное измерение, элементарные (фундаментальные) частицы могут быть описаны как проявление колебаний струн (энергетических).

Как совместить это представление с повседневным опытом, который «доказывает», что мы находимся в трехмерном пространственном мире, где, конечно же, присутствует неумолимый ход времени, который ведет нас из прошлого в будущее через ощущения сегодняшнего дня?

А как совместить с нашим восприятием материального мира представление, что электрон — и частица, и волна? В зависимости от типа используемых научных приборов у электрона обнаруживаются то волновые, то корпускулярные свойства. Очевидно, однако, что это — проблемы нашего описания электрона, который реально существует и о них (проблемах) ничего «не знает». Так же может обстоять дело и с неощущением большей части размерностей (если они, конечно, есть). Следует просто признать, что они бесконечно малы и мы не можем их ощутить, так же, как не в состоянии в макромире «почувствовать» волновые свойства микрообъектов.

Размер струн (в нашем макромире) оценивается в 10-33 см, и соответствует значению фундаментальной (планковской) длины, кванту пространства. Эта величина меньше размеров протона в 1020 раз.

Факт существования дополнительных размерностей можно связать со свойствами элементарных частиц, такими, например, как масса и электрический заряд. В момент возникновения Вселенной «из небытия» (из квантового вакуума) все размерности были «при деле». Но система мироздания (по неизвестным пока причинам) стала развиваться в макромире, описываемом четырьмя измерениями. Согласно теории струны, десятимерное пространство «проросло» в окружающий нас мир так, как мы его воспринимаем.

В 1980-е гг. теория струн стала «разветвляться», появились конкурирующие направления, то есть возникло несколько десятимерных миров, каждый из которых мог теоретически претендовать на роль истинного. В 1995 г. Эдвард Уиттен предложил выход из ситуации, заключающийся в том, что «наше» десятимерие является проекцией 11-мерного мира. Такая концепция получила название М-теории (шутливая расшифровка: матери всех возможных де-сятимерий) и была принята на теоретическое вооружение научным сообществом. В этом 11-мерном пространстве фигурируют многомерные мембраны или р-браны, где число р характеризует их размерность. Так, 1-брана, это «знакомая» нам струна, 0-бра-на — точка в пространстве, 2-брана — плоскость, называемая собственно мембраной. Аналогичным образом можно найти геометрические образы для каждой р-браны. В результате на смену колебаниям струны в М-теории пришла вибрация мембран.

Подводя итог вышесказанному, констатируем: мы не имеем физического объяснения определяющей части материи, составляющей нашу Вселенную. У нас нет уверенности и в том, что четырехмерный мир — это и есть истинное пространственно-временное описание Космоса.

А если истинная размерность пространства больше трех, то в чем именно проявляется наличие дополнительных измерений? Каковы роль и значение наличия фундаментальных (наименьших) значений длины (и времени) для понимания Вселенной? К тому же, несмотря на всю очевидность повседневного опыта, также было бы весьма наивно утверждать, что мы постигли сущность времени. И как не вспомнить здесь известное выражение: мы знаем, что ничего не знаем.

Но только пока.