Наш соотечественник Лобачевский, а затем Эйнштейн открыли нам невидимую кривизну пространства, Калуца и Клейн указали на его скрытое многомерие. Влияние этих идей на наши представления об окружающем мире можно сравнить лишь с переворотом в умах, которое когда-то совершил Коперник.
Стандартная модель говорит, что все многообразие наблюдаемых нами явлений, от процессов в космосе до трансмутаций частиц в микромире, в конечном счете сводится всего лишь к четырем основным, исходным типам взаимодействий: ядерным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Именно так располагаются они по своей силе – самое мощное ядерное и самое слабое гравитационное. Различаются эти два крайних взаимодействия в 1046 раз. Однако теория и подтверждающий ее эксперимент подсказывают, что с углублением в область все меньших и меньших пространственных масштабов различия взаимодействий постепенно стираются. На уровне примерно 10-17 сантиметра или несколько меньше сливаются электромагнитные и слабые силы, где-то вблизи 10-30 сантиметра, всего лишь три порядка не дотягивая до планковского предела, к ним присоединяется и ядерное взаимодействие. Приближаясь к этой черте, частицы, образно говоря, раздеваются, сбрасывая одну за другой «шубы» из слоев окружающих их виртуальных частиц. В глубине пространства виртуальные процессы становятся настолько энергичными, что «шубы» просто расползаются, и частицы, как люди в бане, становятся почти не различимыми.
Но вот с гравитационной силой получается заминка. На планковской границе она сравнивается по величине с другими, и было время, когда казалось, что стоит добавить еще одну, десятую, пространственную микроось, и мы получим «Теорию всего сущего» – теорию единой универсальной «сверхсилы». Однако на деле все оказалось намного сложнее.
Нетрудно оценить, на каких расстояниях должно происходить слияние гравитации с остальными силами. Для этого заметим, что сила гравитационного притяжения двух частиц будет такой же, как электрическая сила между двумя электронами, если частицы весят в 1022 раз больше электрона[* Читатель, наверное, помнит, что электрическое взаимодействие частиц описывается законом Кулона, очень похожим на ньютоновский закон всемирного тяготения. Не будем выписывать формул, поскольку говорят, что каждая формула в научно-популярной статье вдвое снижает число ее читателей!]. Для микрочастицы это – огромная величина, сравнимая с массой видимой глазом пылиннки, пляшушей в луче солнечного света. Такие частицы рождаются в спонтанных вакуумных флуктуациях как раз вблизи планковского предела 10-33 сантиметра. Это настоящее «дно мира». Как говорят формулы теории относительности, гравитационное поле и искривление пространства в окрестности таких частиц настолько велики, что пространство сворачивается в отдельные быстро рождающиеся и мгновенно распадающиеся пузырьки. Образуется что- то вроде пены.
Однако все это – наглядные качественные оценки. Построить строгую теорию единого поля не удается. Не будет преувеличением сказать, что сегодня физики запутались в формулах. Существует множество путей для развития теории, и не ясно, какой из них предпочтительнее. Сейчас в этой области работает сравнительно небольшое число специалистов, занятых изучением очень сложных и неоднозначных математических структур. Такое впечатление, что известные физические идеи себя исчерпали и для дальнейшего продвижения нужна новая экспериментальная информация. Возможно, ее дадут опыты на создаваемых сверхмощных ускорителях.
А может, трудности с гравитацией происходят из-за того, что у нее принципиально иная природа и не стоит пытаться «упихать» ее в один пакет с другими силами?
С помощью частиц, разогнанных на ускорителях, мы можем сегодня зондировать расстояния вплоть до 10-16 – 10-17 сантиметра, что намного порядков отстоит от планковского предела Предполагать, что на всем этом интервале останется верным закон тяготения Ньютона-чрезвычайно смелая гипотеза. А если закон другой, то и расстояние до «дна мира» будет иным. Оно может располагаться значительно ближе. Так будет, если размерность пространства уже на сравнительно небольших длинах будет больше трех, тогда сила гравитационного притяжения при переходе к малым расстояниям будет более крутой и сравняется с электромагнитной на большем расстоянии.
Можно показать, что в пространстве, у которого п дополнительных координатных осей, гравитация изменяется с расстоянием как 1/r2+n (пусть простит читатель – все же не удалось обойтись без простенькой формулы!). В частности, если пространство девятимерное, то, как предсказывает Стандартная модель, гравитационная и электромагнитная силы станут одного порядка величины уже при 10-17 – 10-18 сантиметра, а отклонения от ньютоновского закона тяготения станут заметными уже на вполне доступных нам расстояниях. И если верить общей теории относительности, то тут, в сильных полях тяготения, нас ждет масса удивительных явлений, которые мы обычно рассчитываем наблюдать лишь в космических процессах.
Но тогда почему мы не видим экстраразмерностей в электромагнитных и сильных взаимодействиях?
Для того чтобы свести концы с концами, нужно предположить, что только гравитационное поле чувствует экстраразмерности, а все остальные поля живут в обычном трехмерном пространстве. Казалось бы, гипотеза, взятая «с потолка». Однако у нее есть глубокие основания. Математические эксперименты с многомерными пространствами показали, что при определенных условиях пространство теряет однородность и в нем могут образовываться выделенные по своим свойствам объекты с меньшей размерностью- нечто вроде прожилок и мембран-пленок в прозрачном киселе. Частицы, попавшие в такую пленку, будут двигаться в ней, не выходя наружу. Они чувствуют размерности лишь своего мира, не замечая внешних. Исключение – волны гравитационного поля. Они свободно переходят через границы мембраны и живут в более сложном пространстве. Один из авторов такой теории приводит в качестве иллюстрации биллиардные шары на жестком столе. Они катаются по его двумерной поверхности, не замечая третьего измерения, а волны звука, образующиеся при их столкновениях (это – аналог всепроникающего гравитационного поля), распространяются по всем трем направлениям.
Объяснение того, каким образом в многомерном пространстве с шестью или с семью экстраразмерностями «выкристаллизовываются» трехмерные миры-мембраны, увело бы нас в математические джунгли теории квантовых струн, различных способов компактификации (свертки) лишних измерений, топологических особенностей экстраразмерностей и прочих очень трудных и абстрактных проблем. Поэтому поставим здесь точку, отметив с завистью, что есть люди, которые во всем этом хорошо разбираются!
Если же оставаться на уровне наглядных аналогий, то следует вспомнить, что абсолютно пустого пространства не бывает. Вакуум только кажется нам пустотой, на самом же деле это – одно из состояний материи и, как считают физики, самое основное. Мы не ощушаем его, подобно тому как плавающие на десятикилометровой глубине рыбы не чувствуют царящего там чудовишного давления. Образование трехмерных мембран в однородном пространстве-вакууме напоминает выкристаллизовывание прожилок золота в толще горной породы. Электрически заряженные частицы перемешаются вдоль таких же токопроводящих прожилок, оставаясь изолированными от окружающего вещества. Более того, при определенных условиях ток распространяется лишь по поверхности проводника, не попадая внутрь. Теория мембран подсказывает, что мы сами и все окружающие нас материальные тела также движемся по поверхности специфических вакуумных прожилок в девятимерном океане пространства.