Связанные струной

Взаимодействия, или куда делся фотон.

Картина только усложнится , если мы будем рассматривать существующие в природе взаимодействия. В окружающем нас мире полно самых различных способов оказания воздействий: бейсбольные биты бьют по мячам, энтузиасты банги бросаются вниз с вышек, магниты позволяют сверхскоростным поездам парить над металлическими рельсами, счетчики Гейгера издают щелчки в присутствии радиоактивных материалов, атомные бомбы могут взрываться. Мы можем воздействовать на тела, толкая, дергая или тряся их, бросая или стреляя в них другими телами; вытягивая, закручивая или сдавливая их, а также нагревая , охлаждая или поджигая. В течение последнего столетия физики накопили огромное количество  доказательств того, что все эти взаимодействия между различными телами и материалами, а также миллионы миллионов других происходящих ежедневно взаимодействий могут быть сведены к сочетаниям четырех основных типов. Одним их них является гравитационное взаимодействие. Три других – это электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

  Гравитационное  взаимодействие наиболее привычно  для нас – благодаря ему  наша планета удерживается на  орбите, вращаясь вокруг солнца, а наши ноги твердо стоят на земле. Масса тела является мерой влияния, которое оказывают на него гравитационные силы, а также мерой гравитационных сил, создаваемых самим телом. Следующим хорошо известным видом взаимодействия являются электромагнитные силы. Этим силам мы обязаны комфортом современной жизни, они используются в электрическом освещении, компьютерах, телевидении, телефонах; кроме того, они лежат в основе устрашающей мощи грозы и нежного прикосновения человеческой руки. На микроскопическом уровне электрический заряд частиц играет ту же роль, что и масса для гравитационного взаимодействия: он определяет величину электромагнитного взаимодействия: он определяет величину электромагнитного воздействия частицы и ее отклик на электромагнитное воздействие со стороны других частиц.

  Сильное  и слабое взаимодействие менее  известны, поскольку их сила быстро  убывает с расстоянием и играет  существенную роль только на  субатомном уровне – внутри  ядер. В этом состоит причина  того, что они были открыты совсем недавно. Сильное взаимодействие удерживает кварки в “склеенном ” состоянии внутри протонов и нейтронов; оно же удерживает протоны и нейтроны плотно упакованными в атомном ядре. Наиболее известное проявление слабого взаимодействия связано а радиоактивным распадом таких веществ, как уран и кобальт.

  В течение прошлого столетия  физики обнаружили два общих  для всех этих взаимодействий  свойства. Во- первых, на микроскопическом  уровне каждому взаимодействию  соответствует частица, которая может рассматриваться как наименьший сгусток этого взаимодействия. Когда лазер, “электромагнитное ружье” , испускает пучок лучей, из него вылетает на самом деле пучок фотонов, представляющих собой переносчики электромагнитного взаимодействия. Аналогично, наименьшими компонентами слабого и сильного взаимодействия являются частицы, известными под названием слабых калибровочных бозонов и глюонов. Название глюон является особенно образным: глюоны могут рассматриваться как микроскопические компоненты прочного клея, удерживающего вместе  составляющие атомное ядро частицы. К 1984 г. экспериментаторы смогли подтвердить существование и детально изучить свойства трех типов частиц, отвечающих за различные виды взаимодействия. Физики считают, что с гравитационным взаимодействием        также связана частица – гравитон, однако ее существование пока не получило экспериментального подтверждения.

Вторая общая черта  всех видов взаимодействия состоит  в том, что точно также как  для гравитационного взаимодействия степень влияния на тело определяется его массой, а для электромагнитного взаимодействия – зарядом, мера влияния сильного и слабого взаимодействий на все частицы определяется количеством “сильного заряда ” и “слабого заряда ”. Но, как и в случае с массами частиц, все , что смогли сделать физики – это тщательно измерить в эксперименте данные характеристики. Никто не предложил никакого объяснения, почему наша Вселенная состоит именно из этих частиц, и почему они имеют именно такие значения масс и зарядов.

Несмотря на наличие общих свойств, исследование фундаментальных взаимодействий привело только к появлению новых вопросов.Почему, например, существуют четыре фундаментальных взаимодействия? Почему не пять или три, или, может быть, одно? Почему эти взаимодействия имеют столь различные свойства ? Почему сильное и слабое взаимодействие работают только в микроскопическом масштабе, тогда как гравитационные и электромагнитные силы имеют неограниченную область влияния?

               Для того чтобы лучше понять с чем связано огромное различие в интенсивности этих взаимодействий, представьте себе, что у вас есть один электрон в левой руке и один – в правой. Попробуйте сблизить эти две частицы, имеющие одинаковый электрический заряд. Взаимное гравитационное   притяжение будет способствовать их сближению, а электромагнитное отталкивание – препятствовать ему. Какое из этих взаимодействий одержит верх? Здесь все ясно: электромагнитное отталкивание примерно в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов    раз сильнее! Если представить, что размер правого бицепса характеризует силу гравитационного взаимодействия  , то ваш левый бицепс должен простираться за пределы известной части Вселенной, чтобы его размер мог дать сравнительное представление о силе электромагнитного взаимодействия . Единственная причина, по которой электромагнитные силы  не доминируют полнлстью над гравитационным в окружающем нас мире, заключена в том, что большинство тел состоит из одинакового числа положительных и отрицательных частиц, и, в результате, создаваемые ими силы нейтрализуют друг друга. С другой стороны, гравитационные силы всегда являются силами притяжения , и для них не происходит нейтрализации – чем больше вещества , тем больше будет гравитационное взаимодействие. Однако, по существу, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым. Эксперименты также показали, что сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в сто тысяч раз сильнее слабого взаимодействия. Но в чем же состоит причина того, что наша Вселенная имеет такие свойства?

                 Вопрос о том, почему те или иные характеристики имеют именно такие заначения,отнюдь не является праздным; Вселенная была бы совсем иной, если бы свойства материи и частиц, отвечающих за фундаментальные взаимодействия, хотя бы чуть-чуть изменились . Например, существование стабильных ядер, образующих около сотни элементов периодической системы, очень сильно зависят от соотношения сильного и электромагнитного взаимодействия. Протоны, находящиеся в атомном ядре, отталкивают друг друга в результате действия электромагнитных сил. К счастью, сильное взаимодействие между составляющими эти протоны кварками преодолевает силы отталкивания и удерживает протоны вместе. Однако относительно небольшое изменение соотношения между величинами этих двух взаимодействий может легко нарушить равновесие и привести к разрушению большинства атомных ядер. Далее, если бы масса электрона была всего в несколько раз больше , электроны и протоны начали бы объединяться , образуя нейтроны и захватывая ядра водорода, а это, в свою очередь, привело бы к нарушению баланса образования более  сложных элементов. Существование звезд зависит от взаимодействий между стабильными ядрами; звезды не смогли бы образоваться при таком изменение фундаментальных физических  законов. Величина гравитационных сил также играет важную роль. Огромная плотность вещества в центре звезды питает ядерный очаг и, тем самым, определяет интенсивность излучения звезды. Если величина гравитационных сил увеличится, давление в недрах звезд возрастает, что приведет к значительному росту интенсивности ядерных реакций. Но также как яркое пламя исчерпывает горючее гораздо быстрее, чем тихое пламя свечи, так и увеличение скорости ядерных реакций привело бы к тому, что звезды , подобные нашему Солнцу, выгорели быстрее. Это оказало бы разрушительное влияние на зарождение жизни в том виде, в котором она нам известна. С другой стороны, если бы гравитационные силы существенно уменьшились, вещество не смогло бы собраться в скопления, не возникли    бы звезды и галактики.

                       Мы могли бы продолжить, но основная идея ясна: Вселенная такая, какая она есть, потому, что вещество и частицы, отвечающие за фундаментальные воздействия, имеют те свойства, которые они имеют. Но существует ли научное объяснение тому, почему они имеют именно такие свойства?

       Теория струн: основная идея.

                  Теория струн представляет собой мощную парадигму понятий, которая впервые дает ответ на поставленные выше вопросы. Рассмотрим сначала основную идею этой теории.

                     Частицы приведенные в таблице являются ”буквами" для всего вещества. Кажется, что, как и в лингвистические аналоги, частицы не имеют внутренней структуры. Теория струн говорит иное. Она утверждает, что если бы могли исследовать эти частицы с более высокой точностью, на много порядков превышающей наши современные технические возможности, мы обнаружили бы, что каждая из частиц является не точечным образованием, а состоит из крошечной одномерной петли. Внутри каждой частицы – вибрирующее, колеблющееся, пляшущее волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте, которое физики, не

            наделенные литературным вкусом Гелл - Манна, назвали    струной. На рисунке мы продемонстрировали эту основную идею теории струн, взяв обычный материальный объект- яблоко  - и последовательно увеличивая его структуру для того, чтобы показать ее компоненты во все более крупном масштабе. Теория струн добавляет новый микроскопический уровень – колеблющуюся петлю – к уже известной иерархии, идущей от атомов к протонам, нейтронам электронам и кваркам.

                    Хотя это совершенно неочевидно, что такая простая замена точечных элементарных компонентов материи струнами приводит к устранению противоречий между квантовой механикой и общей теорией относительности. Тем самым теория струн распутывает основной гордиев узел современной теоретической физики. Это выдающееся достижение, но оно представляет собой только часть причин, по которым теория струн вызывает такое восхищение.

Теория струн как  единая теория всего.

                   Во времена Эйнштейна сильное и слабое взаимодействие были еще неизвестны, однако его глубоко беспокоило существование даже двух различных взаимодействий  - гравитационного и электромагнитного. Эйнштейн  не мог примириться с тем, что природа устроена таким экстравагантным образом. Это стало побудительной причиной тридцатилетнего исследования, посвященной поиску так называемой единой теории поля, которая, как он надеялся, сможет продемонстрировать, что два взаимодействия представляют собой на самом деле проявления одного фундаментального принципа. Эти донкихотские поиски изолировали Эйнштейна от основного направления развития физики, которое, по вполне понятным причинам, было гораздо более озабочено разработкой новой дисциплины – квантовой механики. В начале 1940-х гг. он писал своему другу: ”Я стал одиноким старым чудаком, который известен главным образом тем, что не носит носков, и которого выставляют как диковину по особым случаям ”. Эйнштейн просто определил свое время. Прошло более полувека, и его мечта об универсальной теории стала Святым Граалем современной физики. Пи этом значительная часть сообщества физиков и математиков все больше в то ,что теория струн может стать такой теорией. Основываясь на одном принципе – что на самом микроскопическом уровне все состоит из комбинаций вибрирующих волокон, - теория струн дает единый способ объяснения свойств всех взаимодействий и всех видов материй.

             Например, теория струн говорит, что все наблюдаемые свойства элементарных частиц, являются проявлением различных типов колебаний струн. Петли в теории струн имеют резонансные частоты, подобные резонансным частотам струн скрипки или пианино, на которых они предпочитают колебаться, и которое наше ухо воспринимает как музыкальные ноты и их более высокие гармоники . Но, как мы увидим далее, вместо того , чтобы звучать на определенной музыкальной ноте, каждая из разрешенных мод   колебаний струны проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебания. Электрон представляет собой  один вид колебания струны, u-кварк – другой, и так далее. Вместо набора разрозненных экспериментальных фактов свойства частиц в теории струн представляют собой проявления одного и того же физического свойства: резонансных мод колебаний – так сказать, музыки – фундаментальных петель струны. Та же идея применима и к взаимодействиям, существующим в природе. Мы увидим, что частицы, переносящие взаимодействия, также связаны с определенными модами колебания струны, и, следовательно, все – вся материя и все взаимодействия – объединяются под одной и той же рубрикой колебаний микроскопических струн – “нот”, на которых могут звучать струны.

                   Таким образом, впервые в истории физики у нас есть единая теория, которая может объяснить все фундаментальные особенности, лежащие в основе строения Вселенной. По этой причине теорию струн иногда описывают как возможного кандидата на роль “теория всего сущего”, или “завершающей ” теории. Эти пышные эпитеты предназначены для того, чтобы отразить глубочайший возможный уровень физической теории, лежащей в основе всех остальных, теории, которая не требует и, более того, не допускает более глубокой основы для объяснения. Н практике многие специалисты по теории струн используют более прагматический подход и трактуют ТВС в более узком смысле как теорию, которая может объяснить свойства фундаментальных частиц и сил, посредством которых эти частицы взаимодействуют между собой. Последовательный сторонник редукционизма   мог бы заметить , что это вовсе не является ограничением и что в принципе абсолютно все, начиная от Большого взрыва  и заканчивая нашими мыслями, может быть описано с использованием лежащих в основе всего микроскопических физических процессов, в которых участвуют фундаментальные компоненты материи. Редукционисты говорят: если вы знаете все о компонентах, вы знаете все обо всем.        

                Философия редукционизма часто порождает ожесточенные дебаты. Многие находят ее ограниченной и отказываются согласиться с тем, что все тайны жизни и Вселенной являются простым отражением бесцельного танца микроскопических частиц, полностью управляемого законами физики. Действительно ли наши чувства радости, скорби и тоски всего лишь химические реакции между молекулами и атомами мозга, или, если обратиться к более глубокому уровню, между частицами, которые в действительности представляют собой всего лишь колеблющиеся струны? В ответ на эту критику нобелевский лауреат Стивен Вайнберг предостерегал в своей книге Мечты об окончательной теории: ”На другом конце спектра находятся оппоненты редукционизма, которые пугают нас тем, что они называют бездушием современной науки. В какой бы степени они и их ни были сведены к частицам или полям и взаимодействию этих частиц и полей. Но и чувствуют себя униженными этим знанием…Я не буду пытаться ответить на эту критику, живописуя красоты современной науки. Мир каким его видит редукционист, холоден и безлик. Мы должны принять его таким, каков он есть, не потому, что он нравится нам, но потому, что это способ существования мироздания”.

              Одни согласятся с такой суровой точкой зрения, другие будут спорить.

              Многие пытаются возражать, утверждая, что новые достижения, такие как теория хаоса, говорят нам, что при увеличении сложности систем начинают действовать новые законы. Понимание поведения электрона – это одно, а использование этого знания для объяснения поведения торнадо – совсем другое. С этим большинство согласно. Мнения расходятся по вопросу о том, действительно ли разнообразные и часто неожиданные явления, которые происходят в более сложных, чем отдельные частицы, системах, связаны с работой новых физических принципов. Может быть принципы, определяющие поведение систем, имеют производный характер, который зависит, хотя и чудовищно сложным образом, от физических принципов, управляющих невообразимо большим числом элементарных компонентов? По моему мнению, эти принципы не представляют новых и независимых законов физики. Хотя объяснить свойства торнадо на языке физики электронов и кварков непросто, я вижу здесь чисто вычислительные проблемы, а не признак того, что необходимы новые физические законы. Впрочем, опять же, найдутся те, кто не согласится с этим мнением.