Связанные струной

На переднем краю познания.

Связанные струной.

Говорить  о сознательном замалчивании было бы, конечно же, преувеличением. Однако более полувека – даже в разгар величайших в истории научных  открытий – физики спокойно мирились с существованием темного облачка, клубящегося на далеком горизонте. А дело здесь вот в чем. Современная физика покоится на двух столпах. Один из них это общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая дает теоретическую основу для понимания вселенной в ее наиболее крупных масштабах – звезд, галактик, скоплений галактик, и далее к необъятным просторам самой вселенной. Другой столп – это квантовая механика, дающая теоретическую базу для понимания вселенной в ее наименьших масштабах   - молекул, атомов и далее вглубь субатомных частиц, таких как электроны и кварки. За годы исследований физики     с невообразимой точностью экспериментально подтвердили практически все предсказания каждой из этих теорий. Но использование этих же теоретических средств с неизбежностью ведет еще к одному, обескураживающему выводу: в своей современной формулировке общая теория относительности и квантовая механика не могут быть справедливы одновременно. Эти две теории, обусловившие небывалый прогресс  физики последнего столетия, который объяснил и расширение небес и основы строения материи, являются взаимно несовместимыми.

 Если  вам не приходилось ранее слышать  об этом свирепом антагонизме,  то вы,   наверное, захотите  узнать почему. Ответ не составляет  большого секрета. За исключением  наиболее экстремальных случаев, физики изучают либо объекты малые и легкие (как атомы и их составные части), либо объекты огромные и массивные (как звезды и галактики), но не те и другие одновременно. Это означает, что им достаточно было использовать либо только квантовую механику, либо общую теорию относительности, и они могли, как бы невзначай отмахнуться  от кричащего предостережения другой теории. На протяжении пятидесяти лет этот подход если и не подпадал под определение «блаженное неведение», то был весьма недалек от него.

 Но Вселенная может быть экстремальной. В центрах черных дыр чудовищные массы сжимаются до микроскопических объемов. В момент Большого взрыва вся Вселенная была исторгнута из микроскопического ядра, по сравнению с которым песчинка весом  в долю грамма выглядит исполином. Это примеры объектов, которые являются крошечными по размерам и, в то же время, невероятно массивными, и потому требуют одновременной наводки орудий, как квантовой механики, так и общей теории относительности. По причинам, которые будут становиться  все более очевидными по мере продолжения нашего рассказа, при объединении уравнений общей теории относительности и квантовой механики начинается тряска, грохот и шипение пара, как в перегретом котле. Если выражаться менее образно, несчастливый союз этих двух теорий может приводить к появлению бессмысленных ответов на корректно поставленные физические вопросы. Даже если вы позволите глубинам черных дыр  и началу Вселенной и далее скрываться под покровом тайны, вам не удастся избежать ощущения, что враждебность между квантовой механикой и общей теорией относительности вопиет о необходимости выработки более высокого уровня понимания. Возможно ли, чтобы Вселенная была разделена   на более фундаментальном уровне, требуя одного набора законов для больших объектов и другого, несовместимого с первым, для малых?  

Теория  суперструн, зеленый новичок по сравнению  с почтенными доктринами квантовой  механики и общей теории относительности, отвечает на этот вопрос обнадеживающим «нет». Интенсивные исследования, проводившиеся в последние десятилетия физиками и математиками всего мира, показали, что этот новый подход к описанию материи на ее наиболее фундаментальном уровне устраняет конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой. На самом деле теория суперструн дает больше. В этой новой системе общая теория относительности и квантовая механика необходимы друг другу для того, чтобы теоретические построения обрели смысл. Согласно теории суперструн, брачный союз макромира и микромира не только не только счастливый, но и неизбежный.

Но это  только часть хороших новостей. Благодаря  теории    суперструн (или, для  краткости, теории струн) этот союз делает гигантский шаг вперед. В течении  трех десятилетий Эйнштейн был в  поисках единой теории физики, которая должна была по его замыслу представлять собой единое теоретическое полотно, в ткань которого были бы вплетены все силы и взаимодействия природы и все составные элементы материи. Он потерпел  неудачу. Сегодня, на заре нового тысячелетия, сторонники теории струн утверждают, что ускользающие нити этого единого полотна наконец-то найдены. Теория струн способна показать, что все удивительные события во Вселенной - от неистовой   пляски субатомных кварков до величавых вальсов кружащихся двойных звезд, от изначального огненного шара Большого взрыва до величественных спиралей галактик – являются отражениями одного великого физического принципа, одного главного уравнения. 

Поскольку эти особенности теории струн  требуют кардинального изменения  наших представлений о пространстве, времени и материи, понадобится некоторое время, чтобы привыкнуть к новым понятиям, чтобы понимание их смысла достигло достаточного уровня. Однако, как станет дальше из дальнейшего, если взглянуть на теорию струн в надлежащем контексте, ее появление окажется поразительным, однако естественным результатом революционных открытий физики ХХ столетия. Мы увидим, что в действительности противоречие между общей теорией относительности и квантовой механикой было не первым, а третьим в последовательности поворотных конфликтов, с которыми столкнулась физика прошлого века. Разрешение каждого из этих конфликтов приводило к радикальному пересмотру нашего понимания Вселенной.

Три конфликта.

Первый  конфликт, отмеченный учеными еще в конце XIX  в., связан с загадочными свойствами распространения света. Коротко говоря, в соответствии с законами движения Исаака Ньютона, если бежать достаточно быстро, то можно догнать луч света, тогда как, согласно законам электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, это сделать невозможно. Как будет показано в главе 2,Эйнштейн разрешил это противоречие в своей специальной теории относительности, полностью изменив при этом наше понимание пространства и времени. Согласно специальной теории относительности время и пространство не могут более рассматриваться как универсальные понятия, установленные раз и навсегда и воспринимаемые всеми одинаково. Напротив, пространство и время, как следует из работ Эйнштейна, представляют собой податливые конструкции, форма и характеристики  которых зависят от состояния движения наблюдателя.

Создание  специальной теории относительности  подготовило почву для второго  конфликта. Одно из следствий работы Эйнштейна состоит в том, что  никакой объект, никакое воздействие  или возмущение не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света. Но подтверждаемая экспериментально       и  привлекательная на интуитивном уровне универсальная теория гравитации Ньютона включает в себя взаимодействия, которые мгновенно распространяются на огромные расстояния в пространстве. И снова в разрешение конфликта включился Эйнштейн, предложивший в 1915 г. Новую концепцию тяготения в своей общей теории относительности. Эта теория точно так же опрокинула  существовавшие представления о гравитации, как раньше это сделала специальная теория относительности с понятиями пространства и времени. Пространство и время не только зависят от состояния движения наблюдателя, они также могут деформироваться и искривляться в ответ на присутствие вещества или энергии. Как мы увидим далее, такие деформации структуры пространства и времени передают силу тяжести из одного места в другое. Следовательно, пространство и время нельзя более рассматривать как статичные декорации, на фоне которых разворачиваются события во Вселенной. Напротив, как показала специальная, а затем и общая теория относительности, они принимают  самое непосредственное участие в событиях.

Вслед за этим история повторилась еще раз. Создание   общей теории относительности, разрешив одно противоречие, породило другое. Начиная с 1900 г., в течение трех десятилетий физики развивали квантовую механику для решения нескольких кричащих проблем, возникших при попытке применить понятия XIX в. к микромиру. Как было сказано выше, третье и наиболее глубокое противоречие     возникло из несовместимости квантовой механики и общей теории относительности. Гладкая  искривленность  пространства   в общей теории относительности находится в противоречии вытекающим из квантовой механики неистовым, вихревым поведением Вселенной на микроскопическом уровне.      До середины 1980-х гг., когда теория струн разрешила этот конфликт, он справедливо считался современной проблемой центральной физики. Более того, теория струн, построенная на основе  специальной и общей теории относительности, требует нового серьезного пересмотра наших концепций пространства и времени. Например, большинство из нас считает само собой разумеющимся то, что наша Вселенная имеет три пространственных измерения. Однако, согласно теории струн, это неверно. Теория струн утверждает, что Вселенная имеет гораздо больше измерений, чем доступно нашему глазу, но дополнительные измерения туго скручены и связаны в складчатой структуре космического пространства. Эти замечательные гипотезы о структуре пространства и времени играют такую важную роль, что они станут лейтмотивом всего последующего изложения. Теория струн по существу, отражает историю развития представлений о пространстве и времени постэйнштейновскую эпоху.

Вселенная в своем самом малом, или что мы знаем о материи.

Древние греки  предположили, что вещество Вселенной состоит из мельчайших ”неделимых” частиц, которые они назвали атомами. Они высказали гипотезу, что точно так же, как в языках алфавитного типа огромное количество слов строится путем комбинации небольшого числа букв, так и огромное разнообразие материальных объектов может быть результатом комбинации небольшого числа различных элементарных строительных блоков. Это было гениальным предвидением. Спустя более 2000 лет мы продолжаем считать его верным, хотя представления о сущности этих фундаментальных строительных блоков неоднократно подвергались пересмотру. В ХIХ в. ученые показали, что многие обычные вещества, например, кислород и углерод, состоят из мельчайших компонентов, которые, следуя традиции, идущей от греков, были названы атомами. Название сохранилось, но время показало, что оно было неправильным, поскольку атомы определенно являются “делимыми”. К началу 1930-х гг. совместными усилиями Томсона, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора и Джеймса Чедвика была разработана известная большинству из нас модель строения атома, похожая на солнечную систему. Атомы, которые являются далеко не самыми элементарными частицами материи, состоят из ядра, окруженного роем движущихся по орбитам электронов.

  В течение некоторого времени  многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются “атомами”    в том смысле, который вкладывали в этот слово древние греки. Однако эксперименты, проведенные в 1968 г. на Стэнфордском     линейном ускорителе и использовавшие возросшую мощь технологий для изучения глубин микромира, продемонстрировали, что ни протоны, ни нейтроны не являются фундаментальными. Эти эксперименты показали, что они состоят из трех частиц меньшего размера, названных кварками. Это вымышленное название было заимствовано теоретиком Мюрреем Гелл-Манном, предсказавшим существование кварков, из произведения ирландского писателя Джеймса Джойса Поминки по Финнегану. Экспериментаторы установили, что сами кварки делятся на два типа, которые несколько менее изыскано были названы          

u-кварками и d-кварками. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d- кварков и одного d-кварка.

  Все, что мы видим на  Земле и в небесах, по-видимому, состоит из комбинаций электронов, u-кварков и d-кварков. Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая-либо из этих частиц состоит из элементов меньшего размера.  Однако имеется масса данных, свидетельствующих о том, что Вселенная содержит дополнительные компоненты. В середине 1950-х гг. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн получили решающее экспериментальное доказательство существование четвертого типа фундаментальных частиц, названных нейтрино. Существование этих частиц было предсказано в начале 1930-х гг. Вольфгангом Паули. Нейтрино, оказалось, очень трудно обнаружить: это частица-призрак, которая чрезвычайно редко взаимодействует с другими видами материи. Нейтрино средней по величине   энергии легко проникает сквозь   многие триллионы миль свинца, которые не оказывают ни малейшего влияния на его движение. Эта информация должна принести вам значительное облегчение , поскольку прямо сейчас, когда вы читаете эту книгу, миллиарды нейтрино, испущенных солнцем, проходят через ваше тело и через Землю в ходе долгих скитаний по космическому пространству. В конце 1930-х гг. физики, исследующие космические лучи, открыли еще одну частицу, названную мюоном. Эта частица идентична электрону, за исключением того, что она примерно в 200 раз тяжелее. Поскольку в мироздании не было ничего- ни нерешенных загадок, ни пустующих ниш, - что требовало бы существование мюона, нобелевский лауреат, специалист по физике элементарных частиц Исидор Исаак Раби приветствовал открытие мюона не слишком радостной фразой:”Ну, и кто это заказывал?” Тем не менее, мюон существовал. За ним последовали многие другие частицы.

             Три семейства фундаментальных частиц и массы частиц (в долях массы протона).

                   Значения масс нейтрино до  сих пор не удалось определить  экспериментально.

  Используя все более мощную  технику, физики продолжали сталкивать  крошечные частицы материи все  более высокой энергии. При  этом в течение коротких промежутков  времени воссоздавались условия,  не существовавшие со времен  Большого взрыва. Среди образовавшихся осколков ученые искали новые фундаментальные частицы, чтобы добавить их к растущему списку элементарных частиц. Вот что они обнаружили: еще четыре кварка-c,s,b и t, еще одного, даже более тяжелого, родственника электрона, названного тау-лептоном, а также еще две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино. Эти частицы образуются   в соударениях при высокой энергии, они существуют только в течение коротких промежутков времени и не входят в состав обычной материи. Но и это еще не конец истории. Каждая из этих частиц имеет соответствующую ей античастицу, обладающую такой же массой, но являющейся противоположной в некоторых  других отношениях, например, противоположной по электрическому заряду. Например, античастица электрона называется позитроном, она имеет такую же массу, но ее электрический   заряд равен +1, тогда как у электрона она он составляет -1. При контакте вещество и антивещество взаимно  уничтожаются, превращаясь в чистую энергию – вот почему антивещество, образовавшееся естественным образом, крайне редко встречается в окружающем нас мире.

  Физики подметили закономерность  в свойствах этих частиц. Частицы  материи четко разделяются на  три группы, которые часто называют  семействами. Каждое семейство  состоит из двух кварков , электрона или одного из его родственников, и одного из типов нейтрино. Свойства соответствующих частиц в трех семействах идентичны за исключением массы, которая последовательно увеличивается в каждом следующем семействе. В настоящее время физики исследуют структуру вещества в масштабах порядка одной миллиардной от одной миллиардной доли метра; при этом показано, что все вещество, найденное по сей день – естественное или полученное искусственно при помощи гигантских устройств для столкновения атомов – состоит из комбинаций частиц, входящих в эти семейства, и соответствующих им античастиц.