Поиски ответов на этот и другие открытые вопросы привели к главному прорыву в конце 1970-х – начале 1980-х гг., известному как инфляционная космология (глава 10). Инфляционная космологии модифицирует теорию Большого взрыва путём введения в самом начале зарождения Вселенной чрезвычайно короткого промежутка времени, за который Вселенная колоссально расширилась (более чем в миллион триллионов триллионов раз за менее чем одну миллионную от одной триллионной от одной триллионной доли секунды). Как станет ясно, в ходе этого колоссального расширения Вселенная проходит большой путь, позволяющий заполнить пробелы, оставленные моделью Большого взрыва, — объяснить форму пространства и однородность микроволнового излучения, а также предложить объяснение того, почему ранняя Вселенная могла быть высокоупорядоченной, и тем самым продвинуться в объяснении как астрономических наблюдений, так и стрелы времени (глава 11).
При этом, несмотря на достигнутые успехи, инфляционная космология в течение двух десятилетий скрывала собственную загадку. Как и стандартная теория Большого взрыва, инфляционная космология базируется на уравнениях общей теории относительности Эйнштейна. Хотя многочисленные исследования подтвердили пригодность уравнений Эйнштейна для точного описания крупных и массивных объектов, но физикам давно было известно, что для точного теоретического анализа сверхмалых объектов — таких как наблюдаемая Вселенная спустя доли секунды после своего рождения — требуется квантовая механика. Однако проблема состоит в том, что попытки объединить уравнения общей теории относительности с уравнениями квантовой механики приводят к гибельным последствиям. Уравнения совершенно разваливаются, и это не позволяет нам ответить на вопрос, как возникла Вселенная, и определить, были ли при её рождении условия, необходимые для объяснения стрелы времени.
Не будет преувеличением описать эту ситуацию как кошмар теоретика: отсутствие теоретических инструментов для анализа очень важной области, лежащей за пределами экспериментальных возможностей. И, поскольку пространство и время столь тесно сплетены в этой особой недоступной области рождения Вселенной, для понимания пространства и времени совершенно необходимы уравнения, которые могут справиться с экстремальными условиями колоссальной плотности, энергии и температуры в самые ранние моменты возникновения Вселенной. Многие физики считают, что эти уравнения даст единая теория.
Объединённая реальность
В течение нескольких столетий физики пытались объединить наше знание мира, показав, что разнообразные и кажущиеся нам различными явления на самом деле подчиняются одной и той же системе физических законов. Эта унификация — или объяснение широчайшего круга физических явлений с помощью минимального набора физических принципов — стала пожизненной страстью Эйнштейна. С помощью двух своих теорий относительности Эйнштейн объединил пространство, время и гравитацию. Но этот успех только подстегнул его стремление мыслить шире. Он мечтал найти единую систему, которая охватила бы все законы природы; он назвал эту систему единой теорией. Хотя и ходили слухи, что Эйнштейн нашёл единую теорию, все они оказались беспочвенными; мечта Эйнштейна осталась несбывшейся.
Одержимые поиски единой теории в последние тридцать лет его жизни отдалили Эйнштейна от основного течения физических исследований. Многие молодые учёные смотрели на его целенаправленный поиск величайшей теории как на чудачество гения, свернувшего в конце жизни на неверный путь. Но спустя десятилетия после смерти Эйнштейна всё больше физиков берутся продолжить его неоконченный поиск. Сейчас разработка единой теории находится среди самых важных и актуальных проблем теоретической физики.
За многие годы физики обнаружили, что основным препятствием для создания единой теории является фундаментальный конфликт между двумя главнейшими достижениями физики XX в.: общей теорией относительности и квантовой механикой. Хотя эти две теории обычно применяются в совсем разных областях (общая теория относительности — для очень больших объектов типа звёзд и галактик, а квантовая механика — для микроскопических объектов типа молекул и атомов), но каждая из них претендует на универсальность, применимость во всех областях. Однако, как было упомянуто выше, все попытки объединить уравнения этих теорий приводили к бессмысленным результатам. Например, при использовании квантовой механики совместно с общей теорией относительности для вычисления вероятности того или иного события, включающего гравитацию, неизменно получалось не нечто вроде 24, 63 или 91%, а бесконечность. Это не означает, что вероятность столь высока и что можно ставить на неё все свои деньги. Вероятность выше 100% не имеет смысла. Вычисления, приводящие к бесконечной вероятности, просто указывают на нестыковку уравнений общей теории относительности и квантовой механики.
В течение более чем полувека учёные знали об этом конфликте общей теории относительности и квантовой механики, но мало кто из них чувствовал настоятельную необходимость разрешить это противоречие. Большинство учёных просто предпочитали использовать для анализа крупных и массивных объектов только общую теорию относительности, а для анализа мельчайших и легчайших частиц — только квантовую механику, удерживая эти теории «на безопасном» расстоянии друг от друга. Такая политика «разрядки напряжённости» позволила добиться поразительных успехов в областях макромира и микромира, но не принесла окончательного успокоения.
Ведь оставалась «пограничная зона» (экстремальные ситуации, когда массивные объекты обладают микроскопическими размерами), в которой требовалось опираться как на общую теорию относительности, так и на квантовую механику. Два самых известных примера из этой области: центральная область чёрной дыры, где целая звезда сжалась под собственной тяжестью до размеров миниатюрной точки, и Большой взрыв, знаменующий рождение нашей Вселенной, — когда, как предполагается, вся видимая часть Вселенной была сжата до размеров, меньше атомных. Без успешного объединения общей теории относительности и квантовой механики коллапс звёзд и рождение Вселенной навсегда останутся неразгаданными тайнами. Многие учёные предпочитали откладывать решение этих проблем, пока не решены более простые насущные задачи.
Но некоторые исследователи не могли с этим смириться. Конфликт между известными законами означает несостоятельность в попытке ухватить глубокую истину вещей, и этого достаточно, чтобы учёные не могли успокоиться. Но при погружении в эту проблему обнаруживалось, что вода глубока, а течение бурно. Прошло немало времени, но исследователи продвинулись слабо; перспектива выглядела безрадостной. И всё же стойкость тех, кто неизменно придерживался выбранного курса и поддерживал мечту об объединении общей теории относительности и квантовой механики, была вознаграждена. Сейчас по освящённому ими пути физики приближаются к гармоничному слиянию законов большого и малого. И главным претендентом, с чем согласятся многие, является теория суперструн (глава 12).
Как мы увидим, теория суперструн начинается с нового ответа на старый вопрос: каковы мельчайшие неделимые компоненты материи? В течение многих десятилетий общепринятым был следующий ответ: материя состоит из частиц (электронов и кварков), которые можно представлять в качестве неделимых точек, не имеющих ни размера, ни внутренней структуры. Общепринятая теория гласит (и эксперименты подтверждают это), что разнообразные сочетания элементарных компонент порождают протоны, нейтроны и всё многообразие атомов и молекул, составляющих полный набор того, с чем мы только ни сталкиваемся. Теория суперструн говорит другое. Она не отрицает ключевую роль электронов, кварков и других элементарных частиц, обнаруженных в экспериментах, но утверждает, что эти частицы не являются точками. Согласно теории суперструн любая частица представляет собой мельчайшую ниточку или струну энергии, в сотни миллиардов миллиардов раз меньшую размеров атомного ядра (что выходит за пределы доступных нам сейчас возможностей исследования). И подобно тому как струна виолончели может вибрировать с различными частотами, вызывая различные музыкальные тона, так и нити теории суперструн могут вибрировать различным образом. Однако вибрации этих нитей, как утверждает теория суперструн, соответствуют не нотам, а различным свойствам элементарных частиц. Микроскопической струне, вибрирующей одним образом, соответствует масса и электрический заряд электрона; согласно теории суперструн такая вибрационная мода может представлять то, что мы традиционно называем электроном. Мельчайшая струна, вибрирующая другим образом, может иметь свойства, соответствующие кварку, нейтрино или какой-либо другой элементарной частице. Таким образом, в теории суперструн объединяются все виды элементарных частиц, каждая из которых представляет одну из вибрационных мод одной и той же сущности.