«Волнующее открытие», — такую запись сделал Алан Гут в своем дневнике в 1979 году. Он был воодушевлен сознанием того, что, возможно, натолкнулся на одну из величайших теорий космологии. Гут впервые за 50 лет подверг основательному пересмотру теорию Большого Взрыва, сделав конструктивное наблюдение: он смог решить некоторые из глубочайших загадок космологии, предположив, что Вселенная подверглась гиперинфляции (ускоренному расширению) в момент своего рождения, расширению гораздо более быстрому, чем считало большинство физиков. Гут обнаружил, что с учетом этого гиперрасширения он может безо всяких усилий разрешить массу глубоких космологических вопросов, которые не поддавались никакому объяснению. Этой теории предстояло произвести революцию в космологии. (Последние космологические данные, включая результаты, полученные со спутника WMAP, согласуются с прогнозами, которые дает эта теория.) Это не только единственная действенная космологическая теория — она же простейшая и наиболее надежная.
Замечательно, что столь простая теория оказалась в состоянии разрешить так много сложных космологических вопросов. Одной из проблем, которые так элегантно разрешала теория инфляции, была проблема плоскостности Вселенной. Астрономические данные показали, что кривизна Вселенной очень близка к нулю: по сути, она намного ближе к нулю, чем до этого считали многие астрономы. Это могло бы объясняться тем фактом, что Вселенная, подобно шарику, который быстро надувают, стала более плоской за период расширения. Мы подобны муравьям, ползающим по поверхности шарика, — мы слишком малы, чтобы заметить очень маленькую кривизну шарика. Инфляция настолько «вытянула» пространство-время, что оно кажется плоским.
Историческим в открытии Гута было то, что он применил физику элементарных частиц, занимающуюся анализом мельчайших частиц в природе, к космологии, изучению Вселенной во всей ее целостности, включая происхождение. Теперь мы понимаем, что глубочайшие загадки Вселенной нельзя решить без физики чрезвычайно малого — мира квантовой теории и физики элементарных частиц.
Поиски объединенияГут родился в 1947 году в Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси). В отличие от Эйнштейна, Гамова и Хойла, в жизни Гута не было судьбоносного момента, толкнувшего его в мир физики. Ни его отец, ни мать не получили высшего образования и не проявляли интереса к науке. Но по собственному признанию Алана, его всегда восхищала связь математики с законами природы.
В Массачусетском технологическом институте в 1960-е годы он серьезно рассматривал возможность заняться физикой элементарных частиц. В особенности его восхищало всеобщее возбуждение, причиной которого стало новое течение в физике, поиски объединения всех основных сил. Святым Граалем физики были объединяющие мотивы, которые могли бы объяснить все тонкости строения Вселенной самым простым и связным образом. Целую вечность физики блуждали в поисках этого Грааля. Со времен древних греков ученые считают, что Вселенная, которую мы видим сегодня, представляет собой обломки чего-то гораздо более простого, и наша цель — раскрыть суть этого простого.
За две тысячи лет исследований природы вещества и энергии физики открыли, что механизм Вселенной приводят в действие всего четыре основные силы. (Ученые пытались и пытаются найти возможную пятую силу, но до сих пор все результаты исследований в этом направлении были отрицательными или неубедительными.)
Первая сила — гравитационное взаимодействие, которое удерживает Солнечную систему как единое целое и движет планеты по их небесным орбитам в Солнечной системе. Если гравитацию неожиданно «выключить», то звезды в небесахвзорвутся, Земля рассыплется и нас всех выбросит в открытый космос со скоростью около полутора тысяч километров в час.
Вторая сила — электромагнитное взаимодействие, которое освещает наши города, заполняет мир телевизорами, сотовыми телефонами, радиоприемниками, лазерными лучами и сетью Интернет. Если внезапно выключить электромагнитное взаимодействие, то цивилизацию тут же отбросит на век-другой в прошлое, в темноту и безмолвие. Это наглядно продемонстрировала авария энергосистемы в 2003 году, парализовавшая весь северо-восток США. Если мы рассмотрим электромагнитную силу в микроскоп, то увидим, что она состоит из крошечных частиц, или квантов, называемых фотонами.
Третья сила — слабое ядерное взаимодействие, отвечающее за радиоактивный распад. Это слишком слабый фактор, чтобы удерживать атом как единое целое, он позволяет ядру разделиться на более мелкие составляющие, или распасться. Радиоактивные приборы в больницах во многом основываются на слабом ядерном взаимодействии. Слабое ядерное взаимодействие также способствует разогреву земного ядра посредством радиоактивных веществ, что становится причиной извержения вулканов. Слабое ядерное взаимодействие, в свою очередь, основывается на взаимодействии электронов и нейтрино (призрачные частицы, практически не имеющие массы и способные проходить сквозь триллионы километров твердого свинца, ни с чем не сталкиваясь). Эти электроны и нейтрино взаимодействуют, обмениваясь частицами, W- и Z-бозонами.
Сильное ядерное взаимодействие скрепляет ядра атомов. Без этой силы ядра бы разделились на части, атомы бы распались, а вся наша реальность «расползлась» бы. Сильное ядерное взаимодействие отвечает за примерно сотню элементов, которые заполняют Вселенную. Вместе с тем сильное и слабое ядерные взаимодействия отвечают за свет, который испускают звезды согласно уравнению
Эйнштейна — Е =mc2. Без ядерного взаимодействия Вселенная погрузилась бы во тьму, температура на Земле резко упала бы, а океаны превратились бы в ледники.
Удивительной чертой этих четырех сил является то, что все они принципиально отличаются друг от друга, обладая различными свойствами и имея свои достоинства. Например, гравитация намного слабее трех остальных сил, она в 1036 раз слабее электромагнитного взаимодействия. Земля весит б триллионов килограммов, и все же огромный вес и гравитация могут быть легко уравновешены с помощью электромагнитной силы. Даже ваша расческа может поднять клочки бумаги с помощью статического электричества, тем самым преодолевая силу гравитации. К тому же гравитация только притягивает свои объекты, электромагнитная же сила может как притягивать, так и отталкивать, в зависимости от заряда частиц.
Объединение на уровне теории Большого ВзрываОдин из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика, таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмя различными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимодействия должны быть столь непохожими друг на друга, обладать различными качествами, различной физикой и различным образом взаимодействовать?
Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить эти четыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объединения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он не добился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком мало было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно реалистичную объединенную теорию поля. Но пионерская работа Эйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможность существования «теории всего».
Цель объединенной теории поля казалась в высшей степени недостижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элементарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц расщеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие» вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались лишь сотни новых частиц. «Физика элементарных частиц» стала терминологическим противоречием, космической шуткой. Древние греки считали, что при расщеплении субстанции на основные составляющие все упрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физики изо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавита для обозначения всех новых частиц. Дж. Р. Оппенгеймер пошутил, что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, который не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий разум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия.
Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков — составляющих протонов и нейтронов. Согласно теории кварков, три кварка составляют протон или нейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удерживающую частицы ядра). Это было лишь частным решением (поскольку сегодня нас затопляют различные виды кварков), но тогда это влило новую струю энергии в пребывающую в спячке область науки.
В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Сапам совершили ошеломляющий прорыв, доказав, что возможно объединение слабого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создали новую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называемые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена новыми частицами, названными W- и Z-бозонами, а также фотонами. Рассматривая W- и Z-бозоны и фотоны на общем основании, они создали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Сапам получили Нобелевскую премию за совместную работу в области объединения двух из четырех сил — электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, — а также за активные исследования в области сильного ядерного взаимодействия.
