уравнение бога митио каку
Уравнение бога митио каку
Уравнение Бога. В поисках теории всего
Переводчик Наталья Лисова
Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ.−мат. наук
Редактор Вячеслав Ионов
Издатель П. Подкосов
Руководитель проекта И. Серёгина
Ассистент редакции М. Короченская
Корректоры Е. Рудницкая, Е. Сметанникова
Компьютерная верстка А. Фоминов
Дизайн обложки Ю. Буга
Фото на обложке NASA
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2022
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
Моей любящей жене Сицзуэ и дочерям,
д-ру Мишель Каку и Элисон Каку
Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время». Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель». Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.
Введение в окончательную теорию
Эта теория должна была стать окончательной, эдакой универсальной основой, которая объединяет все силы космоса и объясняет все, начиная от движения расширяющейся Вселенной и заканчивая филигранным танцем элементарных частиц. Требовалось лишь найти уравнение, которое с математической четкостью описывало бы всю физику.
За поиски брались самые выдающиеся физики мира, включая и Стивена Хокинга, который даже сделал доклад с многообещающим названием «Близок ли конец теоретической физики?».
В случае успеха такая теория стала бы подлинным венцом науки. Осуществилась бы заветная цель физики – создание единственной формулы, из которой, в принципе, можно вывести уравнения для всех состояний Вселенной, от начала мира до его конца. Это был бы конечный результат научных исследований, которые ведутся вот уже 2000 лет с той поры, когда у древних возник вопрос: как устроен этот мир?
От одной мысли об этом захватывает дух.
Мне было восемь лет, когда я впервые узнал об этой мечте. Газеты сообщали о смерти великого ученого и публиковали незабываемую фотографию.
Это было фото рабочего стола ученого с раскрытым блокнотом. В подписи под ним говорилось, что величайший ученый нашего времени не смог завершить начатую работу. Я был поражен до глубины души. Какая задача может быть настолько сложной, что даже великий Эйнштейн не сумел решить ее?
В блокноте оказалась незавершенная теория всего – Эйнштейн называл ее единой теорией поля. Он хотел найти емкое и короткое уравнение, которое позволило бы, по его собственным словам, «читать мысли Бога».
Не в состоянии до конца оценить грандиозность подобной задачи, я решил пойти по стопам этого великого человека, надеясь внести хотя бы минимальный вклад в реализацию идеи.
Попыток решить эту задачу было немало, но все они закончились неудачей[1]. Как заметил однажды принстонский физик Фримен Дайсон, дорога к единой теории поля усеяна останками неудачных попыток.
Впрочем, сегодня многие ведущие физики считают, что мы наконец приблизились к решению.
Главный (а на мой взгляд, и единственный) кандидат на роль теории всего называется теорией струн, которая утверждает, что Вселенная состоит не из точечных частиц, а из крохотных колеблющихся струн, каждая нота которых соответствует элементарной частице.
Если бы у нас был достаточно мощный микроскоп, мы увидели бы, что электроны, кварки, нейтрино и т. п. представляют собой не что иное, как колебания крохотных нитей, напоминающих натянутую резинку. Если дергать такую резинку по-разному достаточное число раз, то в итоге мы получим все известные элементарные частицы Вселенной. Это означает, что все законы физики могут быть сведены к гармониям таких струн. Химия – это мелодии, которые можно сыграть на струнах. Вселенная – это симфония. А мысли Бога, о которых так красноречиво писал Эйнштейн, – это космическая музыка, резонирующая в пространстве-времени.
И вопрос это не только академический. Каждый раз открытие новых законов физики меняет ход развития цивилизации и судьбу человечества. Так, Ньютоновы законы движения и тяготения заложили основу для века машин и промышленной революции. Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл заложили основы теории электричества и магнетизма, что позволило нам осветить города, создать мощные электрические моторы и генераторы, а также такие средства связи, как телевидение и радио. Эйнштейнова формула E = mc 2 объяснила, откуда черпают энергию звезды, и помогла овладеть энергией атома. Создатели квантовой механики Эрвин Шрёдингер и Вернер Гейзенберг вместе с другими физиками положили начало сегодняшней высокотехнологической революции с суперкомпьютерами, лазерами, интернетом и потрясающими гаджетами в наших гостиных.
В конечном итоге все чудеса современных технологий – это результат открытий ученых, изучавших фундаментальные взаимодействия нашего мира. В настоящее время наука, похоже, близка к созданию теории, которая объединит все четыре силы природы – гравитацию, электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия. В итоге это позволит разгадать такие величайшие загадки науки, как:
● Что находится с другой стороны черной дыры?
● Возможны ли путешествия во времени?
● Существуют ли кротовые норы, которые ведут в другие вселенные?
● Существуют ли более высокие измерения?
● Существует ли мультивселенная, состоящая из множества параллельных вселенных?
Эта книга повествует о поисках окончательной теории и о невероятных событиях одной из самых удивительных страниц истории физики. Мы вспомним открытия прошлого, давшие начало чудесам технологий, – от Ньютоновой революции и изучения электромагнетизма, осмысления теории относительности и квантовой механики до современной теории струн. Мы объясним, что эта теория даст для решения величайших загадок пространства и времени.
Однако на этом пути еще много препятствий. При всем энтузиазме, который вызвала теория струн, есть немало критиков, не упускающих случая, чтобы указать на ее недостатки. И в какой-то момент, после всей шумихи и ажиотажа, реальный прогресс застопорился.
В прошлом многие гиганты физики пытались создать свою единую теорию поля, но потерпели неудачу. Сегодня мы понимаем, что единая теория поля должна удовлетворять трем критериям:
она должна полностью включать в себя общую теорию относительности Эйнштейна;
она должна включать в себя Стандартную модель элементарных частиц;
она должна давать конечные результаты.
Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой теории, предложил в свое время вариант единой теории поля, который фактически до этого рассматривал Эйнштейн. Этот вариант не прошел, поскольку не сводился корректно к теории Эйнштейна и был не в состоянии объяснить уравнения Максвелла. (Кроме того, в нем отсутствовало какое бы то ни было описание электронов или атомов.)
Вольфганг Паули и Вернер Гейзенберг тоже предлагали единую теорию поля, содержавшую поля фермионной материи, но она не поддавалась перенормировке и не включала в себя кварковую модель, которая появилась лишь несколько десятилетий спустя.
Сам Эйнштейн исследовал целый ряд теорий, которые в итоге не оправдали надежд. По существу, он попробовал включить теорию Максвелла в свою теорию, обобщить метрический тензор на гравитацию и сделать так, чтобы символы Кристоффеля включали в себя антисимметричные тензоры. Но эта попытка не удалась. Чтобы объяснить уравнения Максвелла, оказалось недостаточно просто расширить номенклатуру полей в оригинальной теории Эйнштейна. Кроме того, в этом подходе вовсе не упоминалась материя.
За многие годы было сделано немало попыток просто добавить к уравнениям Эйнштейна материальные поля, но все они, как было показано, расходятся на однопетлевом квантовом уровне. Мало того, при помощи компьютеров было рассчитано рассеяние гравитонов на однопетлевом квантовом уровне и показано, что оно несомненно ведет к бесконечным результатам. До сих пор единственный известный способ устранения этих бесконечностей на самом низком однопетлевом уровне заключается в использовании суперсимметрии.
Более радикальную идею предложил еще в 1919 г. Теодор Калуца, который представил уравнения Эйнштейна в пяти измерениях. Примечательно, что при сворачивании одного измерения в крохотное колечко поле Максвелла оказывается сопряженным с гравитационным полем Эйнштейна. Этот подход Эйнштейн тоже изучал, но потом оставил, потому что никто не понимал, как свернуть измерение. В более близкое к нам время этот подход был включен в теорию струн, которая сворачивает десять измерений до четырех и в процессе этого генерирует поле Янга – Миллса. Так что из множества подходов к созданию единой теории поля единственный уцелевший до сего дня путь – это многомерный подход Калуцы, причем обобщенный так, чтобы включать суперсимметрию, суперструны и супермембраны.
Не так давно появилась еще одна теория, получившая название теории петлевой квантовой гравитации. Она предлагает новый путь к исследованию первоначальной четырехмерной теории Эйнштейна. Однако это теория чистой гравитации, без электронов и элементарных частиц, поэтому ее нельзя квалифицировать как единую теорию поля. В ней не упоминается Стандартная модель, потому что нет материальных полей. Кроме того, неясно, является ли рассеяние мультипетель в этой модели по-настоящему конечным. Есть предположение, что столкновение двух петель дает расходящиеся результаты.
Уравнение бога митио каку
Michio Kaku. The God Equation: The Quest for a Theory of Everything. Doubleday, 2021. Contents
«Уравнение Бога» — уже десятая большая популярная книга Каку по теоретической физике. Здесь он уделяет чуть меньше внимания деталям отдельных физических теорий, но больше рассказывает, как шаг за шагом они перерождались одна в другую. В результате ученые пришли к двум современным глобальным физическим теориям, которые вроде бы описывают все, но при этом не стыкуются друг с другом: с одной стороны это квантовая теория и Стандартная модель для электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, с другой — общая теория относительности для взаимодействия гравитационного. Будущая теория квантовой гравитации должна объединить все четыре типа взаимодействий между собой, и главным кандидатом на эту роль Каку считает теорию струн. К ней много вопросов, ее предстоит многократно проверять и доказывать, но на сегодняшний день именно она внушает основной оптимизм.
Как и положено любой научной истории (тем более связанной с вопросом устройства мира), начинается она в Древней Греции. Уже тогда появляются два взгляда на описание всего сущего: если Демокрит предлагал разобрать все на отдельные составляющие частицы и объяснять природные явления через свойства элементов, то Пифагор, наоборот, искал общие законы, которым подчиняются сложные системы, и видел метафору Вселенной в музыке. Каку отмечает, что в этих метафорах можно увидеть стремление к красоте при построении теорий. Красота звездного неба или природы на Земле вызывает у человека мало сомнений, и кажется очевидным, что каким-то образом красота уже заложена в структуру мира. С точки зрения математической теории красота выражается в симметрии — сохранении свойств после того или иного преобразования (в самом наглядном варианте — после отражения). Поэтому именно стремление к красоте и симметрии новых теорий — один из главнейших двигателей науки.
Постепенное движение к универсальной теории возобновляется после перерыва уже в Новое время. Прогресс получается пошаговым: для каждого нового эффекта сначала придумывают свое частное объяснение, потом такие объяснения для близких эффектов сливаются (обычно по парам) в общую теорию для отдельной области науки, после этого соединяются теории для близких друг к другу областей, затем — все более и более далекие, и последней стадией должно стать объединение всего со всем. Интересно, что в свое время каждая промежуточная «универсальная теория» выглядела полностью завершенной и не требующей ни дальнейших обобщений, ни дальнейшего развития. Каждая из этих теорий приводила к технологическим прорывам и промышленным революциям. Но в итоге во всех этих теориях обнаруживали какие-то нестыковки или открывали эффекты, которые в них не совсем вписываются. Тогда становилось понятно, что математические уравнения нужно уточнять, а затем переходить к новому этапу обобщения.
Первой универсальной теорией стала созданная в XVII веке теория Ньютона — законы классической механики, которые были следствием работ Джордано Бруно, Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Именно эта система стала на какое-то время «теорией всего» — она очень точно описывала практически все движения: и те, которые есть на Земле, и те, которые можно наблюдать на звездном небе. Сейчас очевидно, насколько далека теория Ньютона от всеобщности, но уже в ней отчетливо просматривается сила симметрии при построении уравнений (в уравнениях Ньютона это симметрия относительно вращения). Каку отмечает, что, конечно, красота и симметрия не должны быть самоцелью при построении физической теории, но, если вдруг они возникают — это, несомненно, хороший знак.
Своего рода парой к теории Ньютона в конце XIX века стали теория поля и уравнения Максвелла. Теория Максвелла — тоже универсальная теория, но не для механики, а для всех явлений, связанных с электричеством и магнетизмом. Эти уравнения получились в результате обобщения и объединения многочисленных более частных гипотез и законов, но состыковать их с теорией Ньютона не удавалось никак.
В XX веке на смену уравнениям Ньютона и Максвелла пришла другая пара полууниверсальных теорий: квантовая теория как логическое продолжение теории поля и общая теория относительности как логическое продолжение классической механики. Первая теория описывала электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия между элементарными частицами, а вторая — гравитационные силы. Но, во-первых, сами эти теории противоречили друг другу, а во-вторых, в них надо было вписать предыдущие модели и уравнения, оставшиеся из классической физики XIX века. Поэтому весь XX век ученые посвятили постепенному встраиванию всех старых теорий в новые и целенаправленному объединению отдельных ветвей друг с другом. В результате этой интенсивной работы появились теории квантовой электродинамики (она объединяет уравнения для электромагнитного взаимодействия и квантовую физику), квантовой хромодинамики (для описания сильного взаимодействия), затем общая теория электрослабого взаимодействия (объединяющая в общую систему слабое и электромагнитное взаимодействия), а затем и теория Великого объединения (уже для трех типов взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного). Сейчас систему элементарных частиц в этой единой теории описывает Стандартная модель — в модели целый «зоопарк» частиц разного типа с разными параметрами, а взаимодействие между этими частицами считают по теории Янга-Миллса — в результате численного решения очень сложных нелинейных уравнений.
У всей этой универсальной системы, по мнению Каку, есть несколько проблем. Первая проблема — это бросающаяся в глаза сложность, некрасивость и несимметричность всей структуры. Да, у теории есть очевидный практический успех, но настолько явная сложность говорит о том, что, по всей видимости, эта теория не окончательная и поиски нужно продолжать. Во-вторых, в Стандартную модель никак не входят темная энергия и темная материя, а именно они, по современным оценкам, составляют 95 процентов Вселенной. Ну и самая главная проблема — это, конечно, невозможность встроить в эту систему оставшийся четвертый тип взаимодействий, гравитацию. Любые попытки ввести в теорию гравитоны — кванты гравитационного взаимодействия — приводят к возникновению несогласованностей.
«Проблема возникает, когда один гравитон сталкивается с другими гравитонами или с атомами. Решения уравнений для такого столкновения становятся бесконечными. Если попробовать использовать набор приемов, которые были придуманы за последние семьдесят лет, мы обнаружим, что все они не работают. Величайшие ученые века пробовали решить эту проблему, но успеха никто не достиг. Очевидно, нужно использовать принципиально новый подход, ведь все простые идеи уже попробовали и отвергли. Это приводит нас к, возможно, самой противоречивой теории в физике — теории струн, которая может оказаться достаточно сумасшедшей, чтобы стать теорией всего».
Одним из таких аргументов становится как раз красота математики: включив в себя все известные типы взаимодействий (в том числе гравитон как колебание с одной из наименьших частот), теория струн снимает вопрос с размерностью пространства, который возникал в других попытках согласования. Измерений должно быть ровно десять — ни больше, ни меньше. При этом красота теории обнаруживается не только в математических уравнениях, но и в автоматически возникающих метафорах, которые возвращают нас к Пифагору: физику в этой системе Каку сравнивает с музыкальной гармонией, химию — с мелодией, живые организмы — со струнным квартетом (по четырем нуклеотидам в молекулах ДНК), Вселенную — с симфоническим оркестром, а Бога — с космической музыкой, резонирующей в гиперпространстве.
Теория струн, а тем более теория суперструн, — действительно очень красивые и очень симметричные теории, но пока это просто математические конструкции, и у нас нет способа их проверить и подтвердить, так что все это очень близко к спекуляции. Однако, возможно, экспериментального подтверждения и не понадобится, а хватит только теоретического. Например, если с помощью теории струн мы сможем вычислить массу протона — этого будет достаточно. Если с ее помощью мы сможем объяснить и описать темную материю и темную энергию, про которые сейчас непонятно ничего, — этого тоже будет достаточно.
Так или иначе, рассуждения о единой универсальной теории не могут не привести к вопросам о смысле жизни и существовании Бога. К высказыванию Эйнштейна «Бог не играет в кости» обращались большинство физиков-теоретиков XX века, и все находили свои ответы, что же Бог делает на самом деле. К этим же вопросам, разумеется, приходит и Митио Каку — в заголовке книги Бог оказался не случайно. Каку считает, что из пяти доказательств божественного бытия Фомы Аквинского первый — космологический — никакая теория не сможет отвергнуть. Кто-то в любом случае должен приводить все в движение. Даже после того как финальная теория будет построена, вопрос о том, кто и зачем это придумал, никуда не исчезнет. Вряд ли теория всего сделает человека счастливым. Смысл жизни надо заслужить — каждому из нас в отдельности.
Уравнение Бога. В поисках теории всего
«Уравнение Бога» – это увлекательный рассказ о поиске самой главной физической теории, способной объяснить рождение Вселенной, ее судьбу и наше место в ней. Знаменитый физик и популяризатор науки Митио Каку прослеживает весь путь удивительных открытий – от Ньютоновой революции и основ теории электромагнетизма, заложенных Фарадеем и Максвеллом, до теории относительности Эйнштейна, квантовой механики и современной теории струн, – ведущий к той великой теории, которая могла бы объединить все физические взаимодействия и дать полную картину мира. Уже более полувека физики разных стран не могут достичь этой грандиозной цели. Правильный ли путь они избрали? Есть ли «свет в конце тоннеля»? Об этом – новая книга Митио Каку.
Переводчик Наталья Лисова
Научный редактор Дмитрий Вибе, д-р физ.−мат. наук
Редактор Вячеслав Ионов
Издатель П. Подкосов
Руководитель проекта И. Серёгина
Ассистент редакции М. Короченская
Корректоры Е. Рудницкая, Е. Сметанникова
Компьютерная верстка А. Фоминов
Дизайн обложки Ю. Буга
Уравнение Бога. В поисках теории всего скачать fb2, epub, pdf, txt бесплатно
Как люди разных знаков Зодиака проводят время
В 1843 году друг и родственник Лермонтова А. А. Столыпин, прозванный поэтом «Монго», впервые перевел на французский язык «Героя нашего времени». Столыпин, живший в то время в Париже, увлекался идеями Фурье и свой перевод поместил в фурьеристкой газете «La Democratic pacifique».
В редакционной заметке, анонсировавшей начало печатания в ближайших номерах газеты лермонтовского романа, говорилось о его теме и реакции на него русского читателя и критики. Заметка заканчивалась весьма значительной фразой: «Г. Лермонтов недавно погиб на дуэли, причины которой остались неясными».
Толстых Валентин Иванович
ЛИЧНОСТЬ, МОРАЛЬ, ВОСПИТАНИЕ
Серия художественно-публицистических и научно-популярных изданий
ГАЛИЛЕЙ ПРОТИВ ГАЛИЛЕЯ
Разные очерки на одну и ту же тему
так называется английский клуб,
о котором мы писали в одном из предыдущих номеров.
На этот раз мы рассказываем о новых удивительных приключениях
извлечённых из выброшенных морем бутылок
КОРОЛЕВСКИЙ ОТКУПОРЩИК БУТЫЛОК. Известный писатель-маринист Л. Скрягин писал, что в Англии в 1560 году при королевском дворе появилась должность «откупорщика океанских бутылок». Это произошло после того, как один рыбак выловил сетью засмолённую бутылку и обнаружил в ней послание на пергаменте. Будучи человеком неграмотным, он дал его прочесть кому-то из состоятельных сограждан. На другой день рыбака вместе с посланием доставили к королевскому двору. Оказалось: в бутылке лежало сообщение королевского шпиона Елизавете I о том, что голландцы высадились на островах Новая Земля, принадлежащих России. Сам того не желая, рыбак оказался причастным к государственной тайне. И чтобы он случайно не проболтался, его повесили, а Елизавета постановила: так будет с каждым, кто посмеет разбить выловленную в море или найденную на берегу запечатанную бутылку. Кроме того, королева учредила при дворе должность «откупорщика океанских бутылок», которому одному разрешалось открывать найденные сосуды, читать записки и письма и докладывать их содержание королеве.
Антология таинственных случаев
Акоп ТОНАКАНЯН, председатель уфологической комиссии, г.Ереван,
Вадим ОРЛОВ, научный обозреватель журнала
КАМЕННАЯ ЛЕТОПИСЬ ВТОРЖЕНИЙ?
Еще в недавнем прошлом при истолковании наскальных рисунков исследователи исходили, хотя и неявно, из положения о стерильности Земли от разумного влияния извне. Однако этой точке зрения не удалось сохранить свою лидирующую роль при объяснении многочисленных феноменов далекого исторического прошлого.
«СКАЗКИ» КАТЫHСКОГО ЛЕСА
В общих чертах обстоятельства знаменитого Катынского дела, укоренённые в сознании большинства наших соотечественников средствами массовой информации, сводятся к тому, что будто в 1940 году органами HКВД в Катынском лесу под Смоленском было расстреляно около 4,5 тысячи пленных польских офицеров, оказавшихся на территории СССР после разгрома Польши фашистской Германией. В апреле 1943 года немцы с большой помпой оповестили весь мир, будто они обнаружили захоронения польских офицеров, расстрелянных советскими властями. Советское правительство объявило эту акцию провокацией и после освобождения Смоленска провело расследование, переложившее ответственность за уничтожение поляков на немцев. Эта версия считалась официальной до апреля 1990 года, когда М. Горбачев признал вину СССР в Катынском расстреле. После этого наши газеты и журналы за- пестрели статьями о Катыни, фотографиями эксгумированных трупов, был показан документальный телефильм. И как ни парадоксально, именно эти изобразительные материалы, призванные убедить зрителей в виновности советской стороны, дали серьёзный повод усомниться в этом.
СЛАВИН СТАНИСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ
О ЧЕМ ГОВОРЯТ ЗАПАХИ?
Арабская принцесса и американский программист. Казалось бы эти две вселенные никогда не должны были соприкоснуться, но Коулман Мердер решил, что именно с ним Анджелина Саадат обретёт вожделенную свободу и станет для него спасением от разрушительной тьмы. Вот только он забыл спросить, чего хочет сама принцесса и готова ли она шагнуть за любимым мужчиной через разъединяющую их миры черту по дороге, усыпанной стёклами от разбитых иллюзий