Никола Тесла — повелитель молний. Научное расследование удивительных фактов

Однако при всем восхищении, которое вызывала и вызывает у физиков эйнштейновская теория, ни у кого не поворачивается язык назвать ее абсолютной истиной. Сейчас это не кажется особенно удивительным, ведь новая физика относительности и квантов уже успела пережить столько изменений правильных теорий на еще более правильные. Да и сам Эйнштейн практически сразу же после создания законченного варианта теории относительности отмечал, что ей суждены большие перемены, а источник этих перемен находится в квантовой физике.

Все эти исследования связаны с миром элементарных частиц, для которого физики накопили огромный экспериментальный материал. Анализируя его, ученые постепенно осознали удивительный факт, что слабое силовое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад, сильное взаимодействие, удерживающее частицы в атомном ядре, и электромагнитные силы являются проявлениями одного и того же физического поля. Большие надежды физики связывают с перспективой превращения силового трио в квартет путем добавления в теорию гравитации. Предварительные результаты уже показывают, что в природе вполне могут действовать несколько типов гравитационных полей. На сверхмалых расстояниях они тесно связаны между собой и изменение одного сразу вызывает изменения других. Это единое поле содержит супергравитационный мультиплет — семейство нескольких взаимно превращающихся силовых компонентов. Они расщепляются и становятся практически независимыми только на больших расстояниях.

Многие современные физики-теоретики полагают, что на пути к объединению электромагнетизма и гравитации лежит гравитон — гипотетический квант поля тяготения. Если это так, то у него должен быть партнер — гравитино. Вместе с гравитоном он образует семейство двух гравитационных частиц. Гравитон подобен фотону и не имеет массы покоя, всегда двигаясь со скоростью света. Масса гравитино точно неизвестна, но, по оценкам, раз в сто больше протонной, то есть не меньше, чем у ядра серебра, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях — меньше тысячной диаметра протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает там совершенно новые черты — становится супергравитацией. Это один из современных вариантов развития теории Эйнштейна, объединяющий квантовую механику и общую теорию относительности.

Изучение супергравитации еще только начинается. Главное препятствие — отсутствие экспериментальных данных. Впрочем, здесь супергравитация — не исключение, экспериментальный голод испытывает и теория Эйнштейна. За 70 лет ее существования удалось найти всего лишь несколько качественно различных явлений, в которых можно проверить ее выводы. Уж очень трудно экспериментировать с гравитационными взаимодействиями! В исследовании их свойств пока можно рассчитывать лишь на теорию. Для этого физикам приходится изучать и сравнивать различные ее варианты, отбирая те, которые используют меньшее количество предположений и в то же время более последовательны и самосогласованны. Это похоже на разгадывание кроссворда: хотя для каждого столбца или строки пустых клеток можно найти несколько подходящих слов, только при их верном взаиморасположении получается стройная симметричная фигура.

Однако даже в этом простейшем варианте новая теория чрезвычайно сложна математически. Она использует не только обычные, известные нам из арифметики числа, но и так называемые «грассмановы числа», произведение которых зависит от порядка сомножителей (вот уж когда действительно дважды два не всегда четыре!). В ней находит применение весь аппарат современной дифференциальной геометрии и самые абстрактные разделы теории симметрий (математики называют ее теорией групп) (рис. 27).

_{Рис. 27. Многомерное мироздание}

В свое время два выдающихся физика-теоретика Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули применили идеи квантовой механики к электромагнитному полю. Теория получилась удивительно элегантной и позволила рассчитать много новых эффектов. Квантовая физика торжествовала еще одну победу. Казалось, удалось создать единую теорию вещества и поля, которая с высокой точностью описывает все явления микромира. И тут вдруг выяснилось, что для массы электрона, его электрического заряда и многих других связанных с ними величин новая теория дает физически бессмысленные бесконечные значения! Все попытки устранить их заканчивались неудачей. Получались выражения, зависящие от выбора системы координат, то есть от способа расчета. Устраняя бесконечность, взамен получали неоднозначность.

В таком противоречивом и противоестественном состоянии квантовая физика жила более полувека. Она умела с астрономической точностью, а в некоторых случаях и до триллионных долей процента, рассчитывать строение атомов и молекул, правильно предсказывать вероятность различных процессов с элементарными частицами и вместе с тем была буквально «заполнена» бесконечностями. Особенно много бесконечностей возникало при квантовании гравитационного поля. В электродинамике можно было схитрить: заменить бесконечные расчетные значения масс и зарядов конечными, взятыми из опыта, — тогда все бесконечности из теории исчезали. Конечно, нехорошо отказываться от расчета таких важных физических величин, как заряды и массы, но зато все другие можно было вычислить с огромной точностью. К сожалению, в гравитационной теории и этого нельзя сделать: бесконечных величин там слишком много, и никакая замена не помогает. В течение многих лет положение выглядело совершенно безнадежным.

На помощь пришла суперсимметрия. Оказалось, что бесконечности, связанные с гравитино, в точности такие же, как для гравитона, но только с обратным знаком. Они компенсируют друг друга, и супергравитационная теория становится свободной от бесконечностей. Это был выдающийся успех, и появилась реальная надежда создать непротиворечивую теорию элементарных частиц. Для этого к двум гравитационным компонентам нужно добавить другие поля-компоненты, чтобы получился симметричный единый супермультиплет. Многокомпонентная теория объединила кванты всех четырех известных полей взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного ядерного и слабого, ответственного за распады частиц и атомных ядер.

Однако более тщательные исследования показали, что часть бесконечностей все же осталась. Получается, что для преодоления бесконечностей одной суперсимметрии недостаточно — нужны еще какие-то идеи. И вот тут был сделан один важный шаг — выдвинута гипотеза о том, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями: длиной, шириной и высотой. В нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения. Получается, что гравитация связана с кривизной четырехмерного пространства-времени, а с высшими измерениями связаны другие поля.