Куда течет река времени

Таким образом, первые попытки объединения сил природы можно считать только весьма предварительной разведкой. Мы уже знаем, что в середине нашего столетия многие физики относились к этим попыткам весьма скептически.

Но вернемся в наше время. Выше было описано, как современные физики пришли к понятию единства разных сил природы при больших энергиях. Для этого использовались и геометрические идеи — идеи симметрии. Однако это была симметрия не в реальном физическом пространстве-времени, а в воображаемом абстрактном пространстве, изображающем различные состояния частиц и полей, то есть в абстрактном пространстве, описывающем внутренние характеристики частиц.

Теперь, когда мы обращаемся к идее объединения всех сил с гравитацией, нам надо вспомнить, что гравитация связана с кривизной реального пространства-времени. Поэтому при построении суперобъединениянам невольно придется как-то объединить геометрические характеристики четырехмерного пространства-времени с характеристиками пространства внутренних состояний. Как это можно сделать? И какой в этом смысл?

Прежде чем приступить к рассказу об этом, отметим еще одно обстоятельство. Рассматриваемые нами частицы мы делили на два больших класса: на фермионы — частицы физической материи и бозоны — частицы-переносчики взаимодействий. Первые обладают полуцелым спином, вторые — целым. Эти два класса частиц совершенно различны по своим свойствам. До сих пор, когда мы говорили о взаимодействиях, эти два класса выступали в совершенно разных «ипостасях». Бозоны, передавая взаимодействие, как бы «обслуживали» фермионы. Не могло быть и речи о превращении фермионов и бозонов друг в друга.

Но если речь идет об универсальном объединении всех видов взаимодействий в некое единое взаимодействие, то возникает мысль: нельзя ли и фермионы, и бозоны тоже объединить в какую-то единую сущность? Тогда фермионы и бозоны будут только разными ее проявлениями. После того, как мы уже познакомились с объединением современной физикой столь несхожих вещей, как, например, пространство и время, электромагнетизм и ядерные силы, мысль об объединении составных частей вещества и переносчиков сил уже не кажется столь абсурдной.

Более того, оказалось, что объединение гравитационных сил с другими силами включает в себя и объединение бозонов и фермионов, возможность их превращения друг в друга.

Конечно, эта суперсимметриявсех сил, всех частиц может проявиться только при очень больших энергиях, а в обычных условиях должна быть тщательно скрыта, нарушена, то есть частицы вещества, частицы-переносчики и разные силы совсем не похожи друг на друга. Каковы же должны быть те энергии, при которых проявляется единая природа всех фундаментальных взаимодействий?

Эту энергию легко оценить. Действительно, здесь должны проявиться все фундаментальные силы, а значит, должны одновременно играть роль фундаментальные константы, описывающие: 1) квантовые свойства материи (это постоянная Планка h); 2) предельные скорости (константа c); 3) тяготение (константа G).

Из этих констант можно скомбинировать величину размерности энергии (ее называют планковской энергией). Она оказывается еще в сто тысяч раз большей, чем температура Великого объединения.

Эта энергия и должна быть энергией объединения всех сил в природе, включая гравитационные. Ее называют энергией «суперобъединения». Ей соответствует температура в сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов.

Мы вынуждены будем ограничиться совсем краткими замечаниями по поводу некоторых современных вариантов суперобъединения. Причин здесь несколько. Во-первых, пояснения очень трудно сделать качественно, то есть без формул, да к тому же необходима краткость, ибо все же цель нашей книги несколько иная. Во-вторых, специалисты еще отнюдь не уверены, что они здесь выявили хотя бы главные черты явлений, и работа продолжается широким фронтом и в разных направлениях.

Напомним прежде всего попытку объединения в один объект гравитации и электромагнетизма, сделанную Т. Калуцей и О. Клейном. Для этого потребовалось ввести дополнительное пространственное измерение.

Нам теперь предстоит объединить с гравитацией все виды сил и частиц. Возникает идея — нельзя ли сделать это, введя новые дополнительные измерения пространства. Эта идея оказалась весьма плодотворной. В настоящее время есть варианты теории, в которых рассматриваются и 10, и 11 и даже 26 измерений вместо обычных четырех у пространства-времени. (Наиболее предпочтительна, вероятно, теория с 10 измерениями.)

Геометрические свойства этих дополнительных измерений и позволяют с единой точки зрения описать все проявления свойств вещества и переносчиков взаимодействий. Тем самым осуществляется великая мечта А. Эйнштейна.

Но спрашивается, как же решается уже отмечавшаяся проблема: почему мы не обнаруживаем на практике реально дополнительных измерений в нашем мире, то есть почему, например, в этих дополнительных направлениях нельзя двигаться, как это иногда описывается в фантастических романах?

Выход из этого затруднения состоит в идее так называемой компактификации. Согласно этой идее дополнительные пространственные измерения скручены, замкнуты (как одно из измерений листа, свернутого в цилиндр). Эти дополнительные измерения компактифицируются, когда энергия уменьшается ниже планковской. Причем радиус «свернутых» измерений ничтожен — он равен планковской длине, о которой мы говорили выше. Он в сто миллиардов миллиардов раз меньше размеров атомного ядра.

Ясно, что ничтожная протяженность в дополнительных измерениях в обычных условиях сравнительно небольших энергий и не позволяет обнаружить эти измерения. Они проявляются только косвенно в виде разнообразия многих сил и зарядов частиц.

Суперсимметрияпредполагает существование целого ряда новых частиц. Мы подчеркивали, что суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны. Каждому полю, каждой частице здесь соответствует суперпартнер. Так, помимо гравитона — переносчиков гравитационных сил со спином 2, являющихся бозонами, теория включает еще также гравитино — частицы со спинами 3/2 (то есть фермионы), которые в обычных условиях обладают массой (вероятно, порядка ста или тысячи масс протона). Фотону соответствуют тяжелые фотино со спином 1/2 (масса их, вероятно, также порядка ста или тысячи масс протона) и т. д. Все эти частицы пока не открыты.

Существуют теории с весьма сложными и экзотическими наборами частиц. Мы, однако, вынуждены здесь остановиться в нашем увлекательном путешествии в область, еще в значительной степени неизведанную.

Наше краткое знакомство с удивительным микромиром позволит теперь рассмотреть, что было в самом начале расширения мира, то есть как взорвалась наша Вселенная.

В двух предыдущих и в нескольких последующих главах мы много говорим о достижениях современной физики и астрофизики и не так уж часто обращаемся к самому понятию времени. На первый взгляд это кажется странным в книге, главным героем которой является время. Но это только на первый взгляд. Необычные свойства времени, раскрывающие его суть, проявляются в процессах, протекающих в самых глубинах микромира и в далеких просторах космоса. Только достаточно подробное знакомство с этими процессами позволит нам продолжить рассказ о времени.