Страница:
В течение некоторого времени многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются «атомами» в том смысле, который вкладывали в это 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 изысканно были названы и-кварками и d-кварками. Протон состоит из двух и-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из двух d-кварков и одного и-кварка.
Все, что мы видим на Земле и в небесах, по-видимому, состоит из комбинаций электронов, и-кварков и d-кварков. Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая-либо из этих трех 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 существования 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 материн. 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 (потоки частиц, которые бомбардируют Землю из космоса), 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 существования 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.
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 — с, s, b и t, еще одного, даже более тяжелого, родственника электрона, названного тау-лептоном, а также еше две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино (они получили название мюонного нейтрино и тау-нейтрино, чтобы отличить их от первого нейтрино, которое стало называться электронным нейтрино).
Таблица 1.1
Три семейства фундаментальных частиц и массы частиц (в долях массы протона). Значения масс нейтрино до сих пор не удалось определить экспериментально
Семейство 1
Электрон-0,00054
Электронное нейтрино-«10-8
и-кварк-0,0047
d-кварк-0,0074
Семейство 2
Мюон-0,11
Мюонное нейтрино-«0,0003
с-кварк-1,6
s-кварк-0,16
Семейство 3
Тау-1,9
Тау-нейтрино-«0,033
t-кварк-189,0
b-кварк-5,2
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 (или зарядам других видов взаимодействий, обсуждаемых ниже). Например, античастица электрона называется позитроном, она имеет такую же массу, но ее электрический заряд (Подразумевается, что заряды частиц выражены в единицах элементарного заряда е = 1,6 • 10-19 Кл. — Прим. перев.) равен +1, тогда как у электрона 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 (см. табл. 1.1). 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.
Взгляд на табл. 1.1, несомненно, вызовет у вас еще большее изумление, чем то, которое испытал Раби при открытии мюона. Разделение на семейства, по крайней мере, вносит какую-то видимость порядка, но при этом возникают многочисленные «почему». Почему требуется так много фундаментальных частиц, особенно если вспомнить, что для подавляющего большинства окружающих нас тел требуются только электроны, и-кварки и d-кварки? Почему семейств три? Почему не одно семейство, или не четыре, или не какое-нибудь другое число? Почему наблюдается такой, на первый взгляд совершенно случайный, разброс значений масс частиц, например, почему масса тау-частицы в 3 520 раз больше массы электрона? Почему масса t-кварка в 40 200 раз больше массы и-кварка? Все эти числа выглядят странно, они кажутся случайными. Являются ли они игрой случая, связаны ли они с каким-то божественным выбором, или эти фундаментальные свойства нашей Вселенной имеют какое-то разумное научное объяснение?
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 воздействия частицы и ее отклик на электромагнитное воздействие со стороны других частиц.
Сильное и слабое взаимодействия 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 с радиоактивным распадом таких веществ, как уран и кобальт.
В течение прошлого столетия физики обнаружили два общих для всех этих взаимодействий свойства. Во-первых, как будет рассмотрено в главе 5, 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 поток фотонов, представляющих собой мельчайшие переносчики электромагнитного взаимодействия. Аналогично, наименьшими компонентами слабого и сильного взаимодействия являются частицы, известные под названием слабых калибровочных бозонов и глюонов. Название глюон (От английского glue — «клей, склеивать». — Прим. перев.) 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 приведенных в табл. 1.2 трех типов частиц, отвечающих за различные виды взаимодействия.
Таблица 1.2
Четыре фундаментальных типа взаимодействий, существующих в природе; частицы, переносящие эти взаимодействия, и их массы (в единицах массы протона). (Переносчики слабого взаимодействия имеют различные массы, указанные в таблице. Теоретические исследования говорят о том, что масса гравитона
должна быть равна нулю)
Взаимодействие-Частица, переносящая взаимодействие-Масса
Сильное-Глюон-0
Электромагнитное-Фотон-0
Слабое-Слабые калибровочные бозоны-86,97
Гравитационное-Гравитон-0
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 так-же 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». (Эти свойства приведены в таблице в примечаниях к данной главе1)).) 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 взаимодействия работают только в микроскопическом масштабе, тогда как гравитационные и электромагнитные силы имеют неограниченную область влияния? И с чем связано такое огромное различие в интенсивности этих взаимодействий?
Для того чтобы лучше понять последний вопрос, 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 (1042) раз сильнее! Если представить, что размер вашего 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 полностью над гравитационными 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 сильнее будет гравитационное взаимодействие. Однако, по существу, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым. (Этим объясняется трудность экспериментального подтверждения существования гравитона. Поиск наименьшего сгустка самого слабого из взаимодействий — очень трудная задача.) 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 значения, от-нюдь 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 зависит 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 (простейшего элемента во Вселенной, с ядром, состоящим из одного протона), 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 изменении 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 возрастет, что приведет к значительному росту интенсивности ядерных реакций. Но так же 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 взаимодействия, имеют те свойства, которые они имеют. Но существует ли научное объяснение тому, почему они имеют именно такие свойства?
Частицы, приведенные в табл. 1.1, являются «буквами» для всего вещества. Кажется, что, как и их лингвистические аналоги, частицы не имеют внутренней структуры. Теория струн говорит иное. Она утверждает, что если бы мы 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 рис. 1.1 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 кваркам2).
Рис. 1.1. Вещество состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из кварков и электронов. Согласно теории струн все такие частицы в действительности представляют собой крошечные петли вибрирующих струн
Хотя это совершенно неочевидно, мы увидим в главе 6, 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 взаимодействия 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, посвященного 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»3'.
Эйнштейн просто опередил свое время. Прошло более полувека, и его мечта об универсальной теории стала Святым Граалем современной физики. При этом значительная часть сообщества физиков и математиков все больше верит 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 материи.
Например, теория струн говорит, что все наблюдаемые свойства элементарных частиц, приведенные в табл. 1.1 и 1.2, 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 которые 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 в теории струн проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебания. Электрон представляет собой один вид колебания струны, и-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 «теории всего сущего» (ТВС), или«завершающей» или «окончательной» 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. На 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 (Редукционизм представляет собой философскую концепцию, согласно которой все высшие явления могут быть сведены к основополагающим низшим явлениям. В разные эпохи редукционизм принимал разные формы, например, в XVIII в. большую популярность имел механицизм, говоривший о возможности сведения всех явлений к механическим. — Прим. перев.) 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, перечисленными в табл. 1.1, 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 мир ни были сведены к частицам или полям и взаимодействию этих частиц и полей, они 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»4).
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.
Все, что мы видим на Земле и в небесах, по-видимому, состоит из комбинаций электронов, и-кварков и d-кварков. Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая-либо из этих трех 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 существования 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 материн. 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 (потоки частиц, которые бомбардируют Землю из космоса), 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 существования 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.
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 — с, s, b и t, еще одного, даже более тяжелого, родственника электрона, названного тау-лептоном, а также еше две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино (они получили название мюонного нейтрино и тау-нейтрино, чтобы отличить их от первого нейтрино, которое стало называться электронным нейтрино).
Таблица 1.1
Три семейства фундаментальных частиц и массы частиц (в долях массы протона). Значения масс нейтрино до сих пор не удалось определить экспериментально
Семейство 1
Электрон-0,00054
Электронное нейтрино-«10-8
и-кварк-0,0047
d-кварк-0,0074
Семейство 2
Мюон-0,11
Мюонное нейтрино-«0,0003
с-кварк-1,6
s-кварк-0,16
Семейство 3
Тау-1,9
Тау-нейтрино-«0,033
t-кварк-189,0
b-кварк-5,2
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 (или зарядам других видов взаимодействий, обсуждаемых ниже). Например, античастица электрона называется позитроном, она имеет такую же массу, но ее электрический заряд (Подразумевается, что заряды частиц выражены в единицах элементарного заряда е = 1,6 • 10-19 Кл. — Прим. перев.) равен +1, тогда как у электрона 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 (см. табл. 1.1). 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.
Взгляд на табл. 1.1, несомненно, вызовет у вас еще большее изумление, чем то, которое испытал Раби при открытии мюона. Разделение на семейства, по крайней мере, вносит какую-то видимость порядка, но при этом возникают многочисленные «почему». Почему требуется так много фундаментальных частиц, особенно если вспомнить, что для подавляющего большинства окружающих нас тел требуются только электроны, и-кварки и d-кварки? Почему семейств три? Почему не одно семейство, или не четыре, или не какое-нибудь другое число? Почему наблюдается такой, на первый взгляд совершенно случайный, разброс значений масс частиц, например, почему масса тау-частицы в 3 520 раз больше массы электрона? Почему масса t-кварка в 40 200 раз больше массы и-кварка? Все эти числа выглядят странно, они кажутся случайными. Являются ли они игрой случая, связаны ли они с каким-то божественным выбором, или эти фундаментальные свойства нашей Вселенной имеют какое-то разумное научное объяснение?
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 (прыжков с привязанным к ногам канатом) 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 из 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 воздействия частицы и ее отклик на электромагнитное воздействие со стороны других частиц.
Сильное и слабое взаимодействия 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 с радиоактивным распадом таких веществ, как уран и кобальт.
В течение прошлого столетия физики обнаружили два общих для всех этих взаимодействий свойства. Во-первых, как будет рассмотрено в главе 5, 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 поток фотонов, представляющих собой мельчайшие переносчики электромагнитного взаимодействия. Аналогично, наименьшими компонентами слабого и сильного взаимодействия являются частицы, известные под названием слабых калибровочных бозонов и глюонов. Название глюон (От английского glue — «клей, склеивать». — Прим. перев.) 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 приведенных в табл. 1.2 трех типов частиц, отвечающих за различные виды взаимодействия.
Таблица 1.2
Четыре фундаментальных типа взаимодействий, существующих в природе; частицы, переносящие эти взаимодействия, и их массы (в единицах массы протона). (Переносчики слабого взаимодействия имеют различные массы, указанные в таблице. Теоретические исследования говорят о том, что масса гравитона
должна быть равна нулю)
Взаимодействие-Частица, переносящая взаимодействие-Масса
Сильное-Глюон-0
Электромагнитное-Фотон-0
Слабое-Слабые калибровочные бозоны-86,97
Гравитационное-Гравитон-0
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 так-же 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». (Эти свойства приведены в таблице в примечаниях к данной главе1)).) 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 взаимодействия работают только в микроскопическом масштабе, тогда как гравитационные и электромагнитные силы имеют неограниченную область влияния? И с чем связано такое огромное различие в интенсивности этих взаимодействий?
Для того чтобы лучше понять последний вопрос, 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 (1042) раз сильнее! Если представить, что размер вашего 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 полностью над гравитационными 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 сильнее будет гравитационное взаимодействие. Однако, по существу, гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым. (Этим объясняется трудность экспериментального подтверждения существования гравитона. Поиск наименьшего сгустка самого слабого из взаимодействий — очень трудная задача.) 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 значения, от-нюдь 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 зависит 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 (простейшего элемента во Вселенной, с ядром, состоящим из одного протона), 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 изменении 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 возрастет, что приведет к значительному росту интенсивности ядерных реакций. Но так же 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 взаимодействия, 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 табл. 1.1, являются «буквами» для всего вещества. Кажется, что, как и их лингвистические аналоги, частицы не имеют внутренней структуры. Теория струн говорит иное. Она утверждает, что если бы мы 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 рис. 1.1 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 кваркам2).
Хотя это совершенно неочевидно, мы увидим в главе 6, 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 взаимодействия 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, посвященного 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»3'.
Эйнштейн просто опередил свое время. Прошло более полувека, и его мечта об универсальной теории стала Святым Граалем современной физики. При этом значительная часть сообщества физиков и математиков все больше верит 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 материи.
Например, теория струн говорит, что все наблюдаемые свойства элементарных частиц, приведенные в табл. 1.1 и 1.2, 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 которые 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 в теории струн проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебания. Электрон представляет собой один вид колебания струны, и-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 «теории всего сущего» (ТВС), или«завершающей» или «окончательной» 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. На 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 (Редукционизм представляет собой философскую концепцию, согласно которой все высшие явления могут быть сведены к основополагающим низшим явлениям. В разные эпохи редукционизм принимал разные формы, например, в XVIII в. большую популярность имел механицизм, говоривший о возможности сведения всех явлений к механическим. — Прим. перев.) 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, перечисленными в табл. 1.1, 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 мир ни были сведены к частицам или полям и взаимодействию этих частиц и полей, они 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»4).
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.