За последнее столетие благодаря двум теориям относительности Эйнштейна и квантовой механике мы близко познакомились с некоторыми ранее скрытыми чертами пространства и времени. Замедление времени, относительность одновременности, альтернативное «нарезание на куски» пространства-времени, гравитация как искажение и искривление пространства и времени, вероятностная природа реальности и квантовое дальнодействие — даже самые лучше физики XIX го в. не ожидали, что всё это обнаружится буквально за углом. И всё же, это всё есть — подтверждённое как экспериментальными результатами, так и теорией.
В наш век мы столкнулись со множеством неожиданных идей:
• тёмная материя и тёмная энергия несомненно являются основными составляющими Вселенной;
• гравитационные волны — рябь ткани пространства-времени, — которые были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна и которые когда-нибудь смогут позволить нам заглянуть ещё дальше в прошлое, чем когда-либо ранее;
• океан Хиггса, который пронизывает всё пространство и который, возможно, поможет нам понять, как частицы обретают массу;
• инфляционное расширение, которое может объяснить форму космоса и решить загадку его однородности на больших масштабах, а также установить направление стрелы времени;
• теория струн, которая постулирует петли и отрезки энергии вместо точечных частиц и обещает реализовать мечту Эйнштейна об объединении всех частиц и сил в рамках единой теории;
• дополнительные пространственные измерения, которые возникли из математики теории струн и которые могут быть обнаружены в экспериментах на новых ускорителях в следующем десятилетии;
• мир бран, в котором наши три пространственных измерения могут соответствовать лишь одной Вселенной среди множества Вселенных, плавающих в пространстве-времени более высокой размерности;
• и, возможно, даже новое понятие о пространстве-времени, когда сама ткань пространства и времени состоит из более фундаментальных беспространственных и безвременны́х элементов.
В следующем десятилетии более мощные ускорители дадут так необходимые экспериментальные данные, и многие физики уверены, что результаты, полученные из наблюдений высокоэнергетических столкновений, подтвердят ряд кардинальных теоретических построений. Я разделяю этот энтузиазм и с нетерпением жду результатов. Пока наши теории не соприкоснутся с наблюдаемыми, проверяемыми явлениями, они будут подвешены в состоянии неопределённости, оставаясь обещающим набором идей, который может иметь или не иметь отношение к реальному миру. Новые ускорители значительно расширят поле перекрытия между теорией и экспериментом и, как надеются физики, переведут многие из этих идей в область признанной науки.
Но есть и другой подход, наполняющий меня несравненным изумлением, хотя у этого подхода не так много шансов. В главе 11 мы говорили о том, как эффекты крошечных квантовых флуктуаций могут быть видны на ясном ночном небе, поскольку они были грандиозно растянуты в ходе космического расширения, что привело к образованию сгущений материи, давших начало звёздам и галактикам. (Вспомним аналогию с мелкими каракулями на оболочке воздушного шара, которые растягиваются, когда этот шар надувают.) Это яркий пример того, как можно получить доступ к квантовой физике через астрономические наблюдения. Возможно, это ещё не предел. Не исключено, что космическое расширение может растягивать отпечатки ещё более мелкомасштабных процессов или характеристик — физики струн, или вообще квантовой гравитации, или ультрамикроскопической атомизированной структуры пространства-времени — и распространять их влияние по небесам неким тонким, но наблюдаемым образом. Возможно, Вселенная уже растянула микроскопические нити ткани космоса и распустила их по небу, так что всё, что нам нужно, — это научиться их увидеть.
Чтобы добраться до проверки самых последних идей, касающихся фундаментальных физических законов, вполне может потребоваться и чрезвычайная мощь ускорителей частиц, способных воссоздать экстремальные условия, невиданные с момента Большого взрыва. Но, по моему мнению, нет ничего более поэтичного, результата более изысканного, объединения более полного, чем получить подтверждение наших теорий об ультрамалом — теорий об ультрамикроскопическом строении пространства, времени и материи, — обратив к небу самые мощные телескопы и молчаливо всматриваясь в звёзды.
Словарь научных терминов
Абсолютизм.Система взглядов, в которой пространство считается абсолютным.
Абсолютное пространство.Ньютоновская концепция пространства; пространство считается неизменным, универсальным и не зависящим от того, что в нём содержится.
Абсолютное пространство-время.Взгляд на пространство и время с точки зрения специальной теории относительности; пространство-время в своей целостности (но не по отдельности) считается неизменным, универсальным и не зависящим от того, что в нём содержится.
Большое сжатие.Возможный конец Вселенной, напоминающий Большой взрыв, протекающий в обратном направлении, когда пространство коллапсирует в себя.
Вакуум.Настолько пустая область пространства, насколько это возможно; состояние с самой низкой энергией.
Вектор скорости.Величина скорости и направление движения объекта.
Великое объединение.Теория, объединяющая сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия в рамках единого формализма.
Волна вероятности.Волна в квантовой механике, которая может кодировать вероятность обнаружения частицы в заданной точке пространства.
Волновая функция.См. Волна вероятности.
Вращательная инвариантность, вращательная симметрия.Независимость от вращения характеристик физической системы или теоретического закона.
Временной слой, срез по времени.Всё пространство в заданный момент времени; отдельное сечение блока пространства-времени.
Второе начало термодинамики.Закон, гласящий, что в среднем энтропия физической системы имеет тенденцию возрастать, начиная с любого заданного момента времени.
Глюоны.Частицы, передающие сильное взаимодействие.
Горизонт событий.Воображаемая сфера, окружающая чёрную дыру; после пересечения этой сферы обратного пути нет; всё, что пересекло горизонт событий, не может вырваться из гравитационного поля чёрной дыры.
Гравитоны.Гипотетические частицы, передающие гравитационное взаимодействие.
Замкнутые струны.Нити энергии (струны) теории струн в виде петель.
Запутанность, квантовая запутанность.Квантовое явление, при котором коррелируют свойства разнесённых в пространстве частиц.
Инерция.Свойство объектов сопротивляться своему разгону или замедлению.
Интерференция.Явление наложения волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление — в других. В квантовой механике позволяет комбинироваться альтернативам, которые выглядят исключающими друг друга.
Инфлатон, поле инфлатона.Поле, энергия и отрицательное давление которого вызывают инфляционное расширение.
Инфляционная космология.Космологическая теория, включающая в себя краткий период раннего этапа развития Вселенной, когда та испытала колоссальное расширение с огромной скоростью.
Информация о выборе пути.Квантово-механическая информация, определяющая путь, выбранный частицей при движении от источника к детектору.
Квантовая механика.Теория, разработанная в 20–30-х гг. XX в. для описания области атомных и субатомных частиц.
Квантовая хромодинамика.Релятивистская квантовая теория поля, описывающая сильное взаимодействие.
Квантовые флуктуации.Неизбежные быстрые изменения силового поля на микроскопических масштабах, возникающие благодаря принципу неопределённости в квантовой физике.
Кварки.Частицы материи, участвующие в сильных взаимодействиях. Существует шесть разновидностей кварков ( u, d, c, s, t, b).
