ВЪВЕДЕНИЕ

ВЪВ ВЪРХОВНАТА ТЕОРИЯ

Трябваше да е върховна теория, една-единствена рамка, която да обедини всички сили на космоса и да бъде хореография на всичко – от движението на разширяващата се вселена до невидимия танц на субатомните частици. Трудното беше да се напише уравнение, чиято математическа елегантност да обхване цялата физика.

С проблема се заеха някои от най-изтъкнатите физици на света. Стивън Хокинг дори изнесе лекция със страховитото заглавие „Вижда ли се краят на теоретичната физика?“.

Ако такава теория е успешна, би била върховното постижение на науката. Това ще е Светият Граал на физиката, една формула, от която, по принцип, човек би могъл да изведе всички други уравнения – от Големия взрив нататък до края на вселената. Би била крайният продукт на две хиляди години научни изследвания, още от времето, когато древните са се запитали: „От какво е направен светът?“.

От тази идея спира дъхът.

МЕЧТАТА НА АЙНЩАЙН1

За първи път попаднах на мечтата предизвикателство, когато бях дете на осем. Един ден вестниците обявиха, че големият учен току-що е починал. Беше публикувана незабравима снимка.

Виждаше се бюро, на което беше оставена отворена тетрадка. Текстът отдолу гласеше, че най-великият учен на нашето време не е успял да довърши работата, с която се е заел. Останах стъписан. Кое може да е толкова трудно, че дори великият Айнщайн да не може да го реши?

Тетрадката съдържаше неговата недовършена теория на всичко – Айнщайн я наричаше Единна теория на полето. Търсел е уравнение, може би не по-дълго от няколко сантиметра, което би му позволило, по неговите думи, „да чете мислите на Бог“.

Без напълно да си давам сметка за сложността на проблема, реших да тръгна по стъпките на великия учен с надеждата да изиграя някаква, макар и малка роля в довеждането на търсенията му до успешен край.

Мнозина други обаче също бяха опитали и се бяха провалили. Както някога бе казал физикът от „Принстън“ Фрийман Дайсън, „пътят към единната теория на полето е осеян с труповете на провалените опити“.

Днес обаче много от водещите физици са убедени, че са близо до решението.

Водещият (за мен единствен) кандидат се нарича „струнна теория“, според която вселената не е направена от отделни частици, а от миниатюрни вибриращи струни, като всяка нота отговаря на субатомна частица.

Ако имахме достатъчно мощен микроскоп, бихме могли да видим, че електроните, кварките, неутрините и т.н. не са нещо друго, а вибрации на миниатюрни примки, подобни на гумен ластик. Ако дръпнем този ластик достатъчно на брой пъти и по различни начини, в крайна сметка ще създадем всички известни субатомни частици във вселената. Това означава, че законите на физиката може да бъдат сведени до хармонии на тези струни. Химията съдържа мелодиите, които може да се изсвирят на тях. Вселената е симфония. А мислите на Бог, които Айнщайн споменава така красноречиво, са космическата музика, която отеква в пространство-времето.

Въпросът не е само академичен. Всеки път, когато учените откриват нова сила, пътят на цивилизацията и съдбата на човечеството се променят. Например, когато Нютон формулира законите за движението и гравитацията, той полага основите на машинната епоха и индустриалната революция. Майкъл Фарадей и Джеймс Кларк Максуел обясняват електромагнетизма и с това поставят началото на осветените градове, на мощните електромотори и генератори, на моменталните комуникации, телевизията и радиото. Уравнението на Айнщайн E = mc2 разкрива могъществото на звездите и помага да разгадаем атомните сили. Когато Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг и други отключват тайните на квантовата теория, започва високотехнологичната революция на днешния ден, със суперкомпютрите, лазерите и всички невероятни устройства, които имаме в домовете си.

В крайна сметка всички чудеса на модерните технологии се случват благодарение на работата на учените, които постепенно разкриват фундаменталните сили на света. Сега те може би са близо до теория, която обединява четирите фундаментални сили на природата – гравитацията, електромагнитната сила, силните и слабите ядрени взаимодействия – в една-единствена теория. И тя би могла да отговори на някои от най-дълбоките неясноти и въпроси на науката, като:

•Какво се е случило преди Големия взрив? Защо изобщо е възникнал той?

•Какво има от другата страна на една черна дупка?

•Възможно ли е да се пътува във времето?

•Има ли червееви дупки към други вселени?

•Има ли по-висши измерения?

•Съществува ли мултивселена от паралелни вселени?

Тази книга представя опитите за откриване на такава върховна теория, както и странните обрати и поврати в една от несъмнено най-особените глави в историята на физиката. Ще разгледаме всички предишни революции, донесли днешните технологични чудеса, като започнем с революцията на Нютон, след това ще се спрем на овладяването на електромагнитната сила, развитието на относителността и струнната теория в нашето време. И ще обясним как тази теория би могла да разгадае най-дълбоките мистерии на пространството и времето.

Армия критици

Все пак остават препятствия обаче. При цялото вълнение около струнната теория, критиците ѝ никак не се колебаят да изтъкват недостатъците ѝ, а въпреки всичките възхвали и медийна шумотевица, реалният напредък загуби скорост.

Най-очебийният проблем е, че въпреки възхвалите за красотата и всеобхватността на теорията не разполагаме с твърди, подлежащи на проверка доказателства за валидността ѝ. Някога имаше надежда, че Големият адронен колайдер край Женева, Швейцария – най-големият ускорител на частици досега, – ще открие конкретни доказателства в помощ на единната теория, но тази надежда остава неосъществена. Колайдерът успя да открие хигс-бозона (или Божията частица), но тя е твърде малка липсваща част от мозайката.

Макар да са правени амбициозни предложения за още по-мощен наследник на Големия адронен колайдер, няма никаква гаранция, че тези скъпи машини ще открият каквото и да било. Никой не знае със сигурност при каква енергия ще засечем нови субатомни частици, които биха потвърдили теорията.

Може би най-съществената критика към струнната теория обаче е това, че предсказва съществуването на мултивселена – множество вселени. Айнщайн отбелязва, че ключовият въпрос е: Имал ли е Бог избор, когато е създавал вселената? Уникална ли е тя? Самата струнна теория е уникална, но вероятно има безкраен брой решения. Физиците наричат това проблем на пейзажа – допускането, че нашата вселена може да е само едно сред океан от други решения, които са също толкова валидни. Ако вселената ни е само една от много други възможности, коя точно от тях е тя? Защо живеем в тази вселена, а не в някоя друга? В такъв случай каква е достоверността на предвижданията на струнната теория? Дали това е теория на всичко, или теория на каквото и да е?

Признавам, че имам дял в това пътешествие. Работя по струнната теория още от 1968 г., когато тя се появи сякаш случайно, без предизвестие, напълно неочаквано. Свидетел съм на забележителната еволюция на теорията, развила се от една формула до дисциплина, чиито изследователски материали могат да напълнят цяла библиотека. Днес струнната теория е в основата на изследванията, които се провеждат във водещите световни лаборатории. Надявам се настоящата книга да ви предложи балансиран и обективен анализ както на успехите, така и на ограниченията в струнната теория.

Също така тя ще покаже защо пътешествието плени въображението на водещите световни учени и защо теорията буди толкова много страсти и противоречия.

ОБЕДИНЯВАНЕТО –

ДРЕВНАТА МЕЧТА

Ако се вгледаш в разкошното величие на необятното нощно небе, обсипано с блещукащи звезди, несъмнено ще бъдеш поразен от неговото спиращо дъха великолепие. И мислите ти вероятно ще се върнат към някои от най-тайнствените въпроси на битието ни:

Дали вселената е плод на някакъв върховен план?

Как можем да проумеем привидно лишения от смисъл космос?

Има ли смисъл съществуването ни, или всичко е безпредметно?

Спомням си стихотворението на Стивън Крейн:

Човек казал на вселената:

– Госпожо, аз съществувам!

– Както и да е – отвърнала вселената, –

този факт не предизвиква у мен усещане за задължение.

Гърците са сред първите, които правят сериозни опити да се ориентират в хаоса на заобикалящия ни свят. Философи като Аристотел вярват, че всичко може да се сведе до комбинация от четири основни съставки: земя, въздух, огън и вода. Как обаче тези четири елемента пресъздават цялата богата сложност на света?

Гърците предлагат поне два отговора на този въпрос. Първият е даден от философа Демокрит, още преди Аристотел. Той смятал, че всичко може да бъде сведено до малки, неделими, неунищожими частици, наречени „атоми“ (което означава „неделим“ на гръцки). Критиците му обаче отбелязват, че е невъзможно да бъдат получени преки доказателства за съществуването на атоми, защото са твърде малки, за да бъдат наблюдавани. Демокрит все пак бил в състояние да посочи убедителни непреки доказателства.

Да вземем за пример един златен пръстен. С годините той започва да се износва. Нещо от него се губи. Всеки ден някаква част от материята на пръстена се изтрива. Следователно, макар атомите да са невидими, съществуването им може да бъде установено непряко.

Дори днес развитата наука се осъществява преди всичко индиректно. Знаем какъв е съставът на Слънцето, познаваме структурата на ДНК и сме пресметнали възрастта на вселената благодарение на изцяло непреки измервания. Знаем всичко това, макар никога да не сме посещавали звездите, да не сме влизали в молекула ДНК и да не сме били свидетели на Големия взрив. Тези различия между преки и непреки доказателства ще придобият съществено значение, когато коментираме опитите за доказване на единната теория на полето.

Вторият подход за първи път е предложен от великия математик Питагор.

Питагор проявил прозорливостта да приложи математически описания към всекидневни феномени като музиката. Според легендата той забелязал прилика между звука при дръпване на струна на лира и вибрирането на метална пластина след удар с чук. Открил, че и двете създават музикални тонове, като трептят в определени съотношения. С други думи, нещо толкова естетически приятно произлиза от математиката на трептенията. Това, разсъдил той, може да покаже, че разнообразието на обектите, които виждаме около себе си, би трябвало да се подчинява на едни и същи математически правила.

И така, в Древна Гърция възникват поне две важни теории за нашия свят – идеята, че всичко се състои от неделими, неунищожими атоми и че разнообразието в природата може да бъде описано от математиката на трептенията.

За съжаление, с изчезването на класическата цивилизация тези философски дискусии и дебати били загубени. Идеята, че би могло да съществува парадигма, която да обясни вселената, била забравена за близо хиляда години. Над Западния свят се спуснала тъма, а научните търсения били заменени основно от вяра в суеверия, магии и вещерство.

Прераждане по време на Ренесанса

През седемнайсети век няколко големи учени се заели да оспорят установения ред и да изследват природата на вселената, но се сблъскали с непоклатима съпротива и преследвания. Йохан Кеплер, един от първите, приложили математиката към движението на планетите, бил съветник на император Рудолф II и вероятно е избегнал преследванията, като богобоязливо е включил религиозни елементи в научната си работа.

Бившият монах Джордано Бруно нямал такъв късмет. През 1600 г. бил съден и осъден на смърт като еретик. Запушили устата му, превели го гол по улиците на Рим и накрая го изгорили на клада. Основното му престъпление? Заявил, че на планетите, които обикалят около Слънцето, може да има живот.

Великият Галилей, баща на експерименталната наука, имал почти същата съдба. За разлика от Бруно обаче Галилей се отказал от теориите си под смъртна заплаха. Така или иначе, оставил трайно наследство – телескопа, който е може би най-революционното изобретение на всички времена. С телескоп човек може да види със собствените си очи, че Луната е надупчена от кратери, че Венера има фази, които отговарят на движение в орбита около Слънцето, че Юпитер има луни – до една еретични идеи по онова време.

За жалост, той бил поставен под домашен арест, нямал право на посетители и накрая ослепял. (Говори се, че това станало, защото веднъж погледал с телескопа си право към слънцето.) Галилей напуска този свят разорен. В годината, в която умира обаче, в Англия се ражда дете, което ще доведе докрай незавършените теории на Галилей и Кеплер и ще създаде единна теория на небесата.

Теорията на Нютон за силите

Исак Нютон е може би най-великият учен, живял някога. В свят, обладан от мисли за вещерство и магьосничество, той се осмелява да запише универсалните закони на небесата и да приложи новата математика, която сам е измислил, наречена математически анализ, за да изучава силите на природата. Както пише физикът Стивън Уайнбърг: „Всъщност съвременната мечта за върховна теория започва от Исак Нютон“2. По онова време тя се смята за теория на всичко – тоест теория, която описва всяко движение.

Началото е поставено, когато Нютон е на двайсет и три. Кеймбриджският университет е затворен заради черната чума. Един ден през 1666 г., докато се разхождал из имението си, той видял да пада ябълка и си задал въпроса, който ще промени историята на човечеството.

Щом като ябълката пада, защо не пада и луната?

Преди Нютон църквата учи, че има два типа закони. Първият тип са тези, които действат на земята. Те са опорочени от греховете на смъртните. Вторият тип са чистите, съвършени и хармонични закони на небесата.

Същността на идеята на Нютон е да предложи единни закони, които да обхващат небето и земята.

В бележника си нарисувал съдбовна картинка (виж фиг. 1).

Ако изстреляш гюле от планински връх, то ще измине известно разстояние, след което ще падне на земята. Ако обаче изстрелваш гюлето с все по-голяма скорост, то ще изминава все по-голямо разстояние, преди да падне, докато в един момент не обиколи цялата земя и не се върне на планинския връх. И Нютон стигнал до извода, че природният закон, който управлява ябълките и гюлетата, гравитацията, също така държи и Луната в орбитата ѝ около Земята. Земната и небесната физика в края на краищата е една и съща.

За да докаже твърденията си, Нютон въвежда понятието сила. Обектите се движат, защото ги теглят или тласкат сили, които са универсални и могат да бъдат измерени точно и математически. (Преди това някои теолози смятат, че обектите се движат заради желания и падат, защото копнеят да се съединят със Земята.)

Така Нютон въвежда ключовата идея за обединението.

Ала той бил пословично дискретен човек и пазел работата си в тайна. Нямал много приятели, бил неспособен да води празни разговори и често влизал в ожесточени спорове с другите учени относно първенството на откритията си.

Божественото уравнение