Термины «теория струн», «суперсимметрия», «квантовая запутанность» и «Большой взрыв» вышли далеко за пределы полемики ученых. Их вписывают в сериалы, возводят в метафоры и обсуждают за чашкой кофе. Яростным спором двух филологов о доказательствах суперсимметрии уже никого не удивить. Математик Роджер Пенроуз взялся объяснить, почему некоторые теории становятся модными и что вообще такое мода в мире науки.
Недели моды в физике
Книга «Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной» издательства «Питер» основана на материале трех лекций, прочитанных Пенроузом в Принстонском университете. Автор и сам признает, что обычно мода, фантазия и вера совершенно не волнуют людей, всерьез изучающих первоосновы мироздания. Веру оставим церквям, моду – показам кутюрье, фантазию – писателям. Роджер Пенроуз на 500 страницах доказывает, что эти романтические слова могут быть важными в поисках фундамента Вселенной.
Теория должна обладать множеством ценных качеств, чтобы стать по-настоящему популярной. «Модность» темы определяется ее потенциалом, конкурентностью и широтой. В Древней Греции модной была идея о первоэлементах материи, из которых, как предполагали античные философы, состоит мир. Речь идет об огне – тетраэдре, воде – икосаэдре, воздухе – октаэдре, земле – кубе и эфире – додекаэдре. Эти представления, несмотря на сходство с фантастическими сагами, опираются на серьезный теоретический базис. Многогранники можно разрезать на кусочки, а затем соединить части между собой в другие правильные многогранники. Физические свойства в данном случае – не просто косвенная характеристика, а настоящая геометрическая модель для описания превращений одних объектов в другие. Красивая математическая структура стала основанием для первых научных изысканий. В современном мире такая структура отличает теорию, о которой все говорят, – загадочную теорию струн.
Теория струн: капсульная коллекция
Согласно стандартной модели физики частиц, все адроны состоят из кварков и/или антикварков. Однако эта модель включает в себя около 30 числовых параметров, которых не объясняет. Речь идет, например, о параметрах смешивания фермионов или бесконечностях (в данном случае – это бессмысленные ответы, получаемые из расходящихся выражений в квантовой теории поля). Теория струн потенциально может дать единую схему физики нашего мира. Считается, что материальные объекты состоят из частиц, и каждая элементарная частица представляет собой точку в пространстве. В теории струн кривая линия воспринимается как двумерное многообразие, или поверхность, расположенная в пространстве-времени, именуемая струнным мировым листом. Струны совершают колебания, и в результате этих колебаний появляются частицы.
Роджер Пенроуз рассказывает в своей книге, что однажды спорил с физиком-струнником о сфере его научных интересов, пытаясь доказать, что теория струн противоречит известной нам физике, и тот ответил: «Вы совершенно правы, разумеется, но в корне заблуждаетесь!» Противоречивость теории струн не мешает ей быть модной, потому что ее научный потенциал огромен. Теория струн может лечь в основу гипотетической «теории всего», которая могла бы объяснить все взаимодействия. Научную картину мира определяет парадигма того знания, которым мы обладаем в настоящий момент. Раньше мир доверял учениям Древней Греции, а потом – Ньютону, а вслед за ним – Эйнштейну. Докажи мы теорию струн, она превратится в доминанту, от которой будут калибровать всё. И если теория струн заинтриговала вас недостаточно из-за ее слабопонятной визуализации, то давайте обратим взгляд вверх, к звездной ночи Вселенной.
Темная материя: винтаж
В космосе есть целые регионы, заполненные невидимым нечто. На эту субстанцию приходится примерно 85 % Вселенной. И есть еще кое-что, не просто существующее, но расталкивающее пределы Вселенной в разные стороны. Для этих явлений ученые придумали термины, больше подходящие франшизе «Звездных войн» – «темная материя» и «темная энергия» соответственно. Вся известная нам Вселенная – со всеми ее белыми и желтыми карликами, с галактиками и планетами, а также с нами, живущими на планете так называемого «земного типа», – возникла (и современная космология доказывает это почти наверняка!) из одного гигантского взрыва, до которого совсем ничего не было, даже самого пространственно-временного понимания «до».
Большой взрыв – одна из наиболее популярных и при этом фантастических теорий в физике. Жизнь на Земле существует благодаря температурному дисбалансу в небе. Мы получаем от Солнца энергию высокочастотных фотонов с низкой энтропией, а зеленые растения на планете преобразуют ее в низкочастотные фотоны высокоэнтропийного вида. Именно из-за этого обмена наша планета до сих пор не раскалилась до температуры огненного шара. В этом вопросе мы как раз и приближаемся к фантастическому аспекту Большого взрыва. Тайна заключается не в том, как он произошел, а в том, что это было событие с чрезвычайно низкой энтропией. Гравитационные степени свободы по какой-то причине были полностью подавлены. Это резко контрастирует со всеми представлениями науки, и эта глубочайшая космологическая загадка до сих пор остается неразрешенной.
Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени» написал: если хочешь быть популярным, придется довольствоваться лишь одной формулой. Его друг и вечный оппонент сэр Роджер Пенроуз не обращает внимания на эту установку. Его книга пестрит формулами и графиками. И если теория струн и квантовая запутанность знакомы многим хотя бы поверхностно, то калибровочная теория электромагнетизма, фейнмановские диаграммы и волновая функция точечной частицы, скорее всего, менее известны. Пенроуз находит и в них аспекты моды, веры и фантазии, стремясь объяснить, почему физика, на самом деле, не так уж далека, как кажется.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
