И. П. Волобуев, доктор физико-математических наук
Предисловие и благодарности
Когда я была маленькой девочкой, я обожала игры и интеллектуальные головоломки, находя их в задачниках по математике или в книгах типа «Алисы в стране чудес». Однако, хотя чтение было одним из моих любимых занятий, научные книги меня особо не привлекали, ибо казались довольно отстраненными — я не чувствовала себя достаточно увлеченной и не ощущала вызов. Стиль часто казался снисходительным, слишком превозносящим ученых, а иногда просто скучным. Я чувствовала, что авторы окружают ореолом тайны результаты или превозносят тех людей, которые их получили, вместо того чтобы описывать саму науку и тот процесс, посредством которого ученые устанавливают взаимосвязь между явлениями. А мне хотелось знать именно это.
Чем больше я интересовалась наукой, тем сильнее она меня увлекала. Я еще не знала, что стану физиком; никто из тех, с кем я была знакома в юности, наукой не занимался. Но занятия неизведанным непреодолимо манили меня. Мне казалось восхитительным искать связи между кажущимися совершенно различными явлениями, решать проблемы и предсказывать удивительные свойства нашего мира. Сейчас, став физиком, я понимаю, что наука является живой сущностью, которая находится в постоянном развитии. Ее делают интересной не только ответы, но также вопросы, дух соперничества и само участие.
Когда я задумала написать эту книгу, мне представлялось, что она должна передавать восторг, который я чувствую от моей работы, не ущемляя научную точность изложения. Я надеялась передать очарование теоретической физики, не прибегая к обманчивому упрощению предмета или представлению его в виде конечного набора застывших монументов, которыми следует покорно восхищаться. Физика намного созидательнее и интереснее, чем это многим кажется. Я хотела поделиться этими чувствами с людьми, которым, возможно, не довелось самостоятельно дойти до такого понимания.
Новая картина мира довлеет над нами. Дополнительные измерения изменили представления физиков о Вселенной. И поскольку связи этих измерений с нашим миром могут оказать влияние на множество хорошо установленных физических законов, дополнительные измерения предлагают новые захватывающие подходы к объяснению старых, уже проверенных фактов о Вселенной.
Некоторые идеи, включенные мной в книгу, довольно абстрактны и умозрительны, однако нет причин полагать, что любознательный читатель не сможет их понять. Я решила дать возможность физике говорить самой за себя и не стала делать акцент на истории и отдельных личностях. Мне не хотелось создавать ошибочное впечатление, что все физики устроены одинаково или что физика интересна какому-то конкретному типу личности. Опираясь на свой опыт и беседы с людьми, я убедилась в том, что есть много читателей, которые сообразительны, любознательны и достаточно открыты к восприятию новой информации, чтобы заинтересоваться реальным положением дел.
Эта книга не обходит вниманием ни одну из самых продвинутых и заманчивых теоретических идей, но я постаралась сделать все возможное, чтобы изложение было замкнутым. Я включила как ключевые концептуальные идеи, так и физические явления, к которым они применяются. Главы построены так, чтобы читатели могли продвигаться по книге в соответствии со своими знаниями и интересами. Чтобы помочь этому процессу, я выделила в конце глав те моменты, на которые я буду ссылаться позже при изложении новейших идей о дополнительных измерениях. Я также использовала маркеры в конце глав, посвященных дополнительным измерениям, чтобы пояснить, чем отличаются друг от друга разные варианты вселенных с дополнительными измерениями.
Так как идея о дополнительных измерениях, вероятно, нова для многих из читателей, в первых главах я объяснила, что я понимаю под этими словами, и почему дополнительные измерения могут существовать, но при этом быть невидимыми и неосязаемыми. После этого я обрисовала теоретические методы, которые используют специалисты в области физики элементарных частиц, для того чтобы объяснить тип мышления, характерный для таких весьма умозрительных исследований.
Современные работы по дополнительным измерениям опираются как на традиционные, так и на современные понятия теоретической физики для обоснования исследуемых вопросов и используемых в них методов. Чтобы объяснить, что движет такими исследованиями, я включила обширный обзор физики двадцатого века. Можно пролистать этот обзор «по диагонали». Но, поступив так, вы пропустите много интересного.
Обзор начинается с общей теории относительности и квантовой механики, и лишь после этого мы переходим к физике частиц и ее важнейшим понятиям. Я изложила довольно абстрактные идеи, которыми часто пренебрегают отчасти именно из-за их абстрактности, но все теоретические представления, о которых я говорю, на данный момент экспериментально подтверждены и используются во всех современных исследованиях. Хотя не весь материал существен для понимания в дальнейшем идей, касающихся дополнительных измерений, я думаю, что многие читатели будут рады получить более полную картину.
Затем я описала ряд новых, более умозрительных теоретических схем, изучавшихся в последние тридцать лет, в частности суперсимметрию и теорию струн. Традиционно физика предполагает взаимодействие теории и эксперимента. Суперсимметрия — это расширение известных понятий физики частиц, и есть хорошие шансы на то, что она будет проверена в предстоящих экспериментах. Теория струн иная. Она основана исключительно на теоретических представлениях и идеях и даже до сих пор не полностью сформулирована математически, так что мы не можем быть абсолютно уверены в ее предсказаниях. Что касается меня, то я в этом вопросе являюсь агностиком — я не знаю, как в конечном итоге будет выглядеть теория струн и сможет ли она разрешить проблемы квантовой механики и гравитации, на которые она нацелена. Но теория струн была богатым источником новых идей, некоторые из которых я сама использовала в исследованиях по дополнительным измерениям пространства. Эти идеи существуют независимо от теории струн, однако данная теория дает основания считать, что некоторые из лежащих в их основе предположений могут быть верными.
Совершив эту экскурсию и обрисовав ситуацию, я снова вернусь к описанию современных исследований по дополнительным измерениям. Они приводят нас к удивительным заключениям, например, к тому, что дополнительные измерения могут быть бесконечными по размеру, оставаясь при этом невидимыми, или что мы можем жить в трехмерном пространственном колодце в многомерной Вселенной. Теперь мы знаем причины того, что могут существовать невидимые параллельные миры со свойствами, сильно отличающимися от свойств нашей Вселенной.
На протяжении всей книги я объясняю физические теории, не прибегая к уравнениям. Однако для тех читателей, которых интересуют детали, я включила математическое приложение. В основном тексте я попыталась расширить диапазон метафор, используемых для объяснения научных понятий. Значительная часть нашего обычного словарного запаса оперирует пространственными аналогиям, однако эти аналогии часто не годятся для микроскопического мира элементарных частиц и трудно представимого пространства с дополнительными измерениями. Мне казалось, что менее привычные метафоры, например, из области искусства, пищи и личных отношений, могут работать по меньшей мере не хуже при объяснении абстрактных идей.
Чтобы подготовить читателя к восприятию новых идей, я начинаю каждую главу с кратенькой истории, вводящей ключевое понятие с помощью более знакомых метафор и представлений. Эти истории меня забавляют, поэтому, если захотите, вернитесь назад, прочтя главу, чтобы уловить суть дела. Эти истории можно рассматривать как двумерный рассказ, идущий «вниз» сквозь главы и «горизонтально» поперек книги. Или вы можете относиться к ним как к забавному заданию, которое позволяет вам проверить, насколько вы усвоили идеи главы.
Многие друзья и коллеги помогали мне достичь поставленных в этой книге целей. Хотя я понимала, к чему стремлюсь, я не всегда сознавала, где добилась успеха. Многие люди заслуживают благодарности за щедрую трату своего времени, поддержку, интерес и любопытство к тому, что я написала.
Некоторые талантливые друзья заслуживают особой благодарности за неоценимые комментарии и замечания в процессе написания книги. Анна Кристина Бюхман, чудесная писательница, сделала прекрасные подробные замечания, которые помогли мне понять, как следует завершать рассказанные мной истории как о физике, так и о жизни. Она давала бесценные советы, всегда приправленные ободрением. Полли Шульман, моя другая невероятно талантливая подруга, внимательно прочла и прокомментировала каждую главу. Я восхищаюсь ее логичным и живым умом, и мне повезло, что она предложила свою помощь. Любош Мотль, блистательный физик, посвятивший себя популяризации науки (специфическое мнение которого о женщинах в науке мы опускаем), прочел все, даже до того, как это стало пригодным для чтения, и сделал на каждой стадии ряд чрезвычайно полезных предложений. Том Левенсон дал важный совет, который может дать только искусный писатель, пишущий о науке, и внес ряд особо значимых предложений. Майкл Гордин посмотрел на книгу с точки зрения историка науки и знатока литературы подобного рода. Джейми Робинс сделала глубокие замечания по нескольким версиям рукописи. Эстер Чиао сделала полезные замечания к рукописи с точки зрения умного, заинтересованного читателя, не имеющего научного образования. Наконец, я рада, что Кормак МакКарти добровольно оказывал ценную помощь и вносил предложения на заключительных стадиях подготовки книги.
