Сім основних уроків з фізики - Карло Ровеллі

Альтернативні теорії були запропоновані, тільки щоб їх зруйнували експерименти. Хорошу теорію було запропоновано у 1970-х роках, їй було надано технічну назву SU5. Пропонувалося замінити невпорядковані рівняння стандартної моделі набагато простішою та елегантнішою структурою. Припускалося, що протон може розпадатися з певною ймовірністю на електрони і кварки. Для спостерігання за розпадом протонів було побудовано складні великі машини. Фізики присвячували життя пошуку способів спостерігати розпад протона. (Ви не можете дивитись увесь час на один протон, бо процес розпаду займає багато часу. Ви берете тонни води, оточуєте її чутливими детекторами й очікуєте на ефекти розпаду.) Але, на жаль, ніхто так і не побачив розпад протона. Красива теорія SU5, попри свою елегантність, не припала до смаку Господу Богу.

Історія, ймовірно, повторюється – тепер із групою теорій, відомих як «суперсиметричні», що припускають існування нового класу частинок. Протягом усієї своєї кар’єри, слухаючи колег, я очікував, з повною впевненістю, цих частинок.

Минали дні, місяці, роки, десятиліття – а прогнозовані суперсиметричні частинки так досі й не з’явились. Фізика – це не тільки історія успіхів.

Отже, поки що ми залишаємося зі стандартною моделлю. Вона, можливо, й не дуже елегантна, але на диво добре описує світ навколо нас. А хтозна? Може, при ближчому розгляді виявиться, що моделі зовсім не бракує елегантності. Можливо, ми ще не навчилися дивитись на неї з правильної точки зору, яка б виявила її приховану простоту. Але на сьогодні це все, що ми знаємо про матерію.

Всьго лише жменька типів елементарних частинок, які вібрують і постійно коливаються між існуванням і небуттям, кубляться у просторі, навіть коли нам здається, що там нічого немає, об’єднуються разом до нескінченності, як букви космічного алфавіту, щоб розказати величні історії галактик, про незліченні зірки, про сонячне світло, про гори, про ліс і пшеничні поля, про усміхнені молоді лиця на вечірках і про нічне небо, засіяне зорями.

5. Зернини космосу

Незважаючи на деякі неясності, недоробки та питання, на які досі немає відповіді, фізика, побіжний огляд якої я виклав, дає кращий опис світу, ніж будь-яка з наук. І це мало б нас цілком влаштовувати. Але ні, нам замало.

Існує парадокс у самому серці нашого розуміння фізичного світу. ХХ століття дало нам дві коштовності, про які я вже згадував: загальну теорію відносності і квантову механіку. З першої виросли космологія, астрофізика, вивчення гравітаційних хвиль, чорних дір, багато іншого. Друга – забезпечила виникнення атомної фізики, ядерної фізики, фізики елементарних частинок, фізики конденсованої матерії й багато, багато чого ще. Дві казково щедрі на подарунки теорії, на яких ґрунтуються сучасні технології і які кардинально змінили спосіб нашого життя. Але ці теорії не можуть бути правильними одночасно, принаймні в їх нинішньому прочитанні, оскільки суперечать одна одній.

Відвідує, скажімо, студент університету лекції з загальної відносності вранці, а інші – з квантової механіки – по обіді; то бідоласі можна вибачити божевільну думку, що його професори або дурні, або не спілкувались десь близько століття. Адже вранці світ існує у вигляді викривленого простору-часу, а вдень – перетворюється на плаский простір, де стрибають кванти енергії.

Парадокс у тому, що обидві теорії працюють чудово. Природа поводиться з нами, як літній рабин, що до нього прийшли двоє чоловіків, аби він розсудив їхню суперечку. Вислухавши аргументи першого, рабин каже: «Ви абсолютно праві!» Другий теж хоче бути почутим. Рабин уважно його слухає і каже: «Ви теж праві». Тим часом його дружина, почувши розмову з сусідньої кімнати, вигукує: «Але ж вони не можуть бути обоє праві!» Рабин замислюється і киває, перш ніж закінчити: «І ти теж права!»

Група фізиків-теоретиків, розкиданих по п’яти континентах, копітко працює, намагаючись вирішити проблему. Поле своєї діяльності вони називають квантовою гравітацією; предметом дослідження є пошук такої теорії, себто набору рівнянь, що насамперед створювала б цілісне уявлення про світ, за допомогою якого можна було б дати адекватне визначення поточній шизофренії.

Не вперше фізика стикається з існуванням двох успішних, але при цьому бесумнівно взаємовиключних теорій. Усі спроби синтезу винагороджені семимильними кроками вперед на шляху до нашого розуміння світу. Ньютон відкрив всесвітнє тяжіння, об’єднавши параболи Галілея з еліпсами Кеплера. Максвелл винайшов рівняння електромагнетизму – об’єднанням теорії електрики і магнетизму. Ейнштейн відкрив теорію відносності розв’язанням явного конфлікту між електромагнетизмом і механікою.

Фізик, зазвичай, тільки страшенно радий, коли знаходить конфлікт такого роду між успішними теоріями: це унікальна можливість. Хіба не можемо ми збудувати концептуальну основу для роздумів про світ, що буде сумісною з усім тим, про що ми дізналися з обох теорій?

Тут, в авангарді, за межами знання, наука стає навіть іще прекраснішою – розжарені в ковальському горні, юні, новонароджені ідеї, інтуїція, спроби. Дороги, обрані й відразу відкинуті. А який ентузіазм у спробах уявити те, чого ще ніколи ніхто не уявляв!

Двадцять років тому все огортав густий туман. Зараз видно шлях, і це вселяє ентузіазм та оптимізм. Такий шлях не один, тому не можна сказати, що задачу розв’язано. Множинність думок породжує суперечки. Але дискусія – здоровий процес: доки туман повністю не розсіявся, добре мати критичні та суперечливі думки.

Одна з найзначніших спроб вирішити проблему – напрямок досліджень під назвою «петльова квантова гравітація»; сформовано команду дослідників, що працюють у різних країнах.

Петльова квантова гравітація є спробою поєднати загальну теорію відносності та квантову механіку. Це обережна спроба, бо вона використовує тільки гіпотези, що містяться в цих теоріях, відповідно переписані, щоб зробити їх сумісними. Але наслідки радикальні: подальша модифікація наших поглядів на структуру реальності.

Ідея проста. Загальна теорія відносності вчить нас, що простір є не інертною коробкою, а чимось більш динамічним: щось на кшталт величезної рухливої мушлі равлика, у якій ми всі перебуваємо, – така от мушля, що може стискатись і скручуватись. Квантова механіка ж навчила нас, що кожне поле такого роду зроблене з квантів і має тонку зернисту структуру. Отже, фізичний простір теж зроблений з квантів.

Основним результатом петльової квантової гравітації, дійсно, є те, що простір не безмежний, не безперервний чи нескінченно подільний, але складається з так званих зерен, або атомів космосу. Вони безкінечно малі – у мільярд мільярдів разів менші за найменше атомне ядро. Теорія описує ці атоми космосу математично, надає рівняння, що визначають їхню еволюцію. Вони називаються «петлі» або «кільця», оскільки пов’язані один з