Текст книги "Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 39 страниц) [доступный отрывок для чтения: 16 страниц]

Музыка теории струн

Хотя теория струн покончила с предшествующей концепцией элементарных частиц, лишённых внутренней структуры, расставание со старым языком происходит тяжело, особенно когда он даёт точное описание действительности вплоть до наименьших доступных масштабов расстояний. Поэтому, следуя сложившимся традициям, мы будем продолжать говорить об «элементарных частицах», но при этом всегда будем помнить, что в действительности это «то, что выглядит элементарной частицей, но на самом деле представляет собой крошечную колеблющуюся струну». В предшествующем разделе мы предположили, что массы и константы взаимодействия таких элементарных частиц связаны с модами колебаний соответствующих струн. Это приводит нас к следующему выводу: если бы мы смогли точно определить все допустимые резонансные моды колебаний фундаментальных струн, – так сказать, «ноты», которые они могут исполнять, мы смогли бы объяснить наблюдаемые свойства элементарных частиц. Таким образом, теория струн впервые предлагает систему, позволяющую объяснитьсвойства существующих в природе элементарных частиц.

На данной стадии нужно «взять» струну и «притронуться» к ней всеми возможными способами, чтобы определить возможные моды резонансных колебаний. Если теория струн права, возможные резонансные моды точно воспроизведут наблюдаемые свойства перечисленных в табл. 1.1 и 1.2 частиц вещества и частиц, передающих взаимодействия. Конечно, струны слишком малы, чтобы можно было осуществить такой эксперимент в буквальном смысле слова. Вместо этого мы будем «притрагиваться» к струнам теоретически, используя математические модели. В середине 1980-х гг. многие приверженцы теории струн верили, что соответствующие математические методы способны объяснить все тончайшие детали строения мироздания на самом микроскопическом уровне. Некоторые энтузиасты провозгласили, что, наконец-то, найдена теория всего. Оглядываясь на прошедшее десятилетие, мы видим, что эйфория, порождённая этой верой, была преждевременна. Теория струн имеет задатки стать «теорией всего», но на её пути остаётся ещё ряд препятствий, не позволяющих определить спектр колебаний струн с точностью, достаточной для сравнения с экспериментальными данными. Поэтому в настоящее время мы не знаем, может ли теория струн объяснить фундаментальные характеристики мироздания, приведённые в табл. 1.1 и 1.2. Как будет показано в главе 9, при определённых обстоятельствах, которые будут чётко сформулированы, теория струн приводит к Вселенной, свойства которой находятся в качественном согласии с данными для известных частиц и взаимодействий. Но предоставить детальные количественные характеристики эта теория сегодня ещё не в состоянии. Таким образом, хотя в отличие от стандартной модели с её точечными частицами теория струн способнадать объяснение, почему частицы и взаимодействия имеют те свойства, которые они имеют, мы пока не способны их «выудить». Однако удивительно то, насколько богата теория струн и сколь далеко она простирается. Хотя мы пока не можем детально определить её свойства, она позволяетпроникнуть в суть целого ряда новых вытекающих из неё физических явлений. Мы увидим это ниже.

В следующих главах мы более подробно обсудим имеющиеся проблемы, однако полезно сначала ознакомиться с ними в самых общих чертах. Окружающие нас струны могут иметь самое разное натяжение. Например, шнурки на ботинках обычно натянуты намного слабее, чем струны на скрипке. И те и другие, в свою очередь, имеют гораздо меньшее натяжение, чем струны рояля. Единственным параметром, который требуется для калибровки теории струн, является их натяжение. Как определить это натяжение? Если бы мы могли коснуться фундаментальной струны, мы узнали бы её жёсткость и могли бы определить её натяжение тем же способом, который используется для других, более привычных струн. Но поскольку фундаментальные струны так малы, мы не можем использовать этот подход, и возникает необходимость в разработке косвенного метода. В 1974 г., когда Шерк и Шварц предположили, что одна из мод колебания струн представляет собой гравитон, они смогли использовать такой косвенный метод и определить натяжение, с которыми оперирует теория струн. Их расчёты показали, что интенсивность взаимодействия, передаваемого колебанием струны, соответствующем гравитону, обратно пропорциональна натяжению струны. А поскольку гравитон передаёт гравитационное взаимодействие, которое является очень слабым, полученное ими значение натяжения оказалось колоссальным: тысяча миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (10 ³⁹) тонн, так называемое планковское натяжение. Таким образом, фундаментальные струны являются чрезвычайно жёсткими по сравнению с обычными. Этот результат имеет три важных следствия.

Три следствия жёстких струн

Во-первых, в то время, как струны рояля закреплены, что гарантирует постоянство их длины, для фундаментальных струн подобного закрепления, ограничивающего их размер, нет. Вместо этого чудовищное натяжение струн заставляет петли, которые рассматриваются в теории струн, сжиматься до микроскопических размеров. Детальные расчёты показывают, что под действием планковского натяжения типичная струна сжимается до планковской длины, т. е. до 10 ⁻³³см, как отмечалось выше. ^{47}

Во-вторых, вследствие такого огромного натяжения типичная энергия колеблющейся петли в теории струн становится чрезвычайно большой. Чтобы понять это, вспомним, что чем больше натяжение струны, тем труднее заставить её колебаться. Например, заставить колебаться струну скрипки гораздо легче, чем струну рояля. Поэтому две струны, колеблющиеся совершенно одинаковым образом, но натянутые по-разному, будут иметь различную энергию. Струна с большим натяжением будет иметь большую энергию, чем струна с низким натяжением, поскольку для того, чтобы привести её в движение, потребуется большее количество энергии.

Это говорит о том, что энергия колеблющейся струны зависит от двух вещей: от точного вида колебаний (более интенсивные колебания соответствуют более высокой энергии) и от натяжения струны (более сильное натяжение, опять же, соответствует более высокой энергии). На первый взгляд это описание может привести вас к мысли, что при переходе к более слабым колебаниям, с меньшей амплитудой и с меньшим числом максимумов и минимумов, струна будет обладать всё меньшей энергией. Однако, как будет показано в главе 4 (в другом контексте), квантовая механика утверждает, что это рассуждение неверно. Согласно квантовой механике колебания струн, подобно всем другим колебаниям и волноподобным возмущениям, могут иметь только дискретные значения энергии. Грубо говоря, подобно компаньонам из ангара, у которых доверенные им деньги равны произведению целогочисла на номинал денежных купюр, энергия, которую несёт та или иная мода колебания струны, представляет собой произведение целого числа на минимальный энергетический номинал. Конкретней, этот минимальный энергетический номинал пропорционален натяжению струны (а также числу максимумов и минимумов конкретной моды колебаний), а целочисленный множитель определяется амплитудой моды колебаний.

Ключевым моментом здесь является следующее. Поскольку минимальный энергетический номинал пропорционален огромному натяжению струны, минимальная фундаментальная энергия также будет огромна по сравнению с обычными масштабами физики элементарных частиц. Она будет кратна величине, известной под названием планковская энергия. Чтобы дать представление об этой величине, скажем, что если мы пересчитаем планковскую энергию в массу, используя знаменитую формулу Эйнштейна E= mc ², полученное значение будет примерно в десять миллиардов миллиардов (10 ¹⁹) раз превышать массу протона. Эта чудовищная по стандартам физики элементарных частиц масса известна под названием планковской массы; она примерно равна массе пылинки или массе колонии из миллиона средних по размерам бактерий. Итак, типичная эквивалентная масса колеблющейся петли в теории струн обычно равна произведению целого числа (1, 2, 3, и т. д.) на планковскую массу. Физики говорят, что в теории струн «естественной» или «характерной» шкалой энергий (или масс) является планковская шкала.

Здесь возникает важный вопрос, имеющий прямое отношение к задаче воспроизведения характеристик частиц в табл. 1.1 и 1.2. Если «естественная» энергетическая шкала теории струн примерно в десять миллиардов миллиардов раз превышает значения энергии и массы протона, как она может использоваться для намного более лёгких частиц – электронов, кварков, протонов и т. п., – образующих окружающий нас мир?

Ответ снова приходит из квантовой механики. Соотношение неопределённостей гарантирует, что не существует состояния абсолютного покоя. Все объекты испытывают квантовые флуктуации, поскольку в противном случае мы могли бы, в нарушение соотношения Гейзенберга, с абсолютной точностью узнать их местоположение и скорость. Это справедливо и для петель теории струн: независимо от того, насколько спокойной выглядит струна, она всегда в той или иной мере испытывает действие квантовых осцилляций. Замечательный факт, впервые установленный в 1970-х гг., состоит в том, что квантовые осцилляции и обычные колебания струны, которые обсуждались выше и были показаны на рис. 6.2 и 6.3, с энергетической точки зрения взаимно сокращаютдруг друга. Действительно, согласно квантовой механике энергия квантовых флуктуаций струны является отрицательнойи уменьшает общую энергию колеблющейся струны на величину, примерно равную планковской энергии. Это означает, что струнные колебания с наинизшей энергией (которая, как мы наивно полагали, должна была равняться планковской энергии) в большинстве своём сокращаются, и в результате остаются колебания с относительной низкой суммарной энергией, массовый эквивалент которой близок к массам перечисленных в табл. 1.1 и 1.2 частиц вещества и частиц, переносящих взаимодействия. Следовательно, именно моды колебаний с наименьшей энергией обеспечивают контакт между теоретическим описанием струн и экспериментом в мире физики элементарных частиц. Например, Шерк и Шварц обнаружили, что мода колебаний, являющаяся кандидатом на роль гравитона, характеризуется полнымсокращением энергии частицы, являющейся переносчиком гравитационного взаимодействия, приводя к нулевой массе. Это именно то, что ожидалось для гравитона: сила тяготения распространяется со скоростью света, и только частицы, не имеющие массы, могут двигаться с этой максимальной скоростью. Однако низкоэнергетические моды колебаний в гораздо большей степени являются исключением, чем правилом. Более типичное колебание фундаментальной струны соответствует частице, масса которой в миллиарды миллиардов раз превосходит массу протона.

Из этого следует, что сравнительно лёгкие фундаментальные частицы табл. 1.1 и 1.2 образуются, в некотором смысле, из тумана, расстилающегося над ревущим океаном высокоэнергетических струн. Даже такая тяжёлая частица, как t-кварк, масса которой примерно в 189 раз превосходит массу протона, может возникнуть в результате колебания струны только в том случае, если гигантская собственная энергия струны, равная по порядку планковской энергии, будет сокращена квантовыми флуктуациями с точностью, превышающей один на сто миллионов миллиардов. Выходит так, как если бы вы были участником телеигры «Верная цена» [6]6
  Старейшая игра на американском телевидении, напоминающая «Поле Чудес» с Леонидом Якубовичем. Боб Баркер более 30 лет является бессменным ведущим этой игры. ( Прим. перев.)


[Закрыть]и Боб Баркер дал бы вам десять миллиардов миллиардов долларов и потребовал, чтобы вы купили продукты («сократили» деньги) на всю сумму, оставив только 189 долларов, ни долларом больше или меньше. Потратить такую огромную сумму, да ещё с такой точностью, не зная при этом точных цен покупаемых товаров, – эта задача была бы очень тяжела даже для самых ловких из самых квалифицированных покупателей в мире. В теории струн, где средством обращения является энергия, а не деньги, приближённые вычисления с определённостью показали, что подобное сокращение энергии можетпроисходить; однако по причинам, которые будут становиться всё более ясными в последующих главах, подтверждение сокращения со столь высоким уровнем точности обычно лежит за пределами возможности современной теоретической физики. Несмотря на это, как было отмечено выше, мы увидим, что многие другие явления теории струн, которые менее чувствительны к таким тонким деталям, могут быть установлены и объяснены с достаточной достоверностью.

Это ведёт нас к третьему следствию, имеющему огромное значение в теории струн. Существует бесконечное число мод колебаний струны. Для примера на рис. 6.2 мы показали начало бесконечной последовательности вариантов, характеризующих вероятности колебаний с увеличивающимся числом максимумов и минимумов. Не означает ли это существование бесконечной последовательности элементарных частиц, что находилось бы в явном противоречии с современной ситуацией в экспериментальных исследованиях, показанной на табл. 1.1 и 1.2?

Ответом является «да». Если теория струн верна, каждой из бесконечного множества резонансных мод колебаний струн должна соответствовать элементарная частица. Здесь, однако, есть один важный момент. Высокое натяжение струн гарантирует, что за редким исключением эти моды колебаний соответствуют чрезвычайно тяжёлым частицам (исключение составляют колебания с минимальной энергией, которые отличаются почти полным сокращением массы ввиду квантовых флуктуаций). Слово «тяжёлый» здесь опять же означает «во много раз тяжелее планковской массы». Поскольку самые мощные из существующих ускорителей способны достичь энергий порядка тысячи масс протона, что составляет менее одной миллионной от одной миллиардной планковской энергии, возможность лабораторного изучения этих новых частиц, предсказываемых теорией струн, появится ещё нескоро.

Существуют, однако, другие, менее прямые способы поиска таких частиц. Например, энергии при возникновении Вселенной были достаточно высокими, чтобы такие частицы появлялись в изобилии. Вообще говоря, вряд ли можно ожидать, что эти частицы дожили до наших дней, поскольку сверхтяжёлые частицы обычно нестабильны и высвобождают свои огромные массы путём последовательного распада на всё более лёгкие частицы, превращаясь, в конце концов, в обычные, относительно лёгкие частицы окружающего нас мира. Однако существует вероятность того, что такое сверхтяжёлое состояние колебаний струны, являющееся реликтом эпохи Большого взрыва, могло дожить до наших дней. Открытие таких частиц, которое будет обсуждаться подробнее в главе 9, стало бы эпохальным событием.

Гравитация и квантовая механика в теории струн

Единая схема, которую даёт теория струн, очень привлекательна. Но истинную неотразимость придаёт ей возможность избавиться от вражды между гравитационным взаимодействием и квантовой механикой. Вспомним, что проблема при объединении общей теории относительности и квантовой механики возникает, когда основное понятие первой из них – плавно искривлённая геометрическая структура пространства и времени – сталкивается с главной особенностью второй, что всё во Вселенной, включая структуру пространства и времени, испытывает квантовые флуктуации, интенсивность которых растёт при уменьшении масштаба исследований. На субпланковском масштабе расстояний квантовые флуктуации становятся столь сильными, что приводят к разрушению понятия гладкого искривлённого геометрического пространства, и это означает нарушение принципов общей теории относительности.

Теория струн смягчает неистовые квантовые флуктуации путём «размазывания» микроскопических характеристик пространства. На вопрос о том, что это значит в действительности и как это разрешает противоречие, есть два ответа: грубый и более точный. Мы поочерёдно рассмотрим каждый из них.

Грубый ответ

Хотя это звучит довольно наивно, один из способов, которым мы можем изучить структуру какого-либо объекта, состоит в том, чтобы бросать в него другие предметы и наблюдать за тем, как они отражаются от него. В качестве примера укажем, что мы способны видеть предметы потому, что наши глаза собирают, а наш мозг расшифровывает информацию, которую несут фотоны, отражающиеся от объектов, на которые мы смотрим. На этом же принципе основаны ускорители частиц: в них частицы материи, например, электроны и протоны, сталкиваются между собой и с другими объектами; затем специальные детекторы анализируют разлетающиеся осколки для получения информации, позволяющей определить структуру объектов, участвующих в столкновениях.

Общее правило при таких исследованиях состоит в том, что размер частиц, используемых для исследования, определяет нижний предел разрешающей способности измерительной установки. Чтобы лучше понять смысл этого важного утверждения, представим, что Слим и Джим решили приобщиться к культуре и записались в кружок по рисованию. По ходу занятий Джима начинают всё более раздражать растущие художественные способности Слима, и он вызывает его на необычное состязание. Он предлагает, чтобы каждый взял косточку от персика, закрепил её в тисках и изобразил наиболее точным образом. Необычность предложения Джима состоит в том, что ни ему, ни Слиму не разрешается смотреть на косточку. Вместо этого каждый из них может бросать в неё разные предметы (но не фотоны!), наблюдать за тем, как они отскакивают от косточки, и на этой основе определять размеры, форму и детали строения косточки (см. рис. 6.4). Тайком от Слима Джим заряжает его «стрелялку» крупными шариками (как на рис. 6.4 а), а свою – пятимиллиметровыми пластиковыми пульками гораздо меньшего размера (как на рис. 6.4 б). Оба заводят свои орудия, и состязание начинается.

Рис. 6.4.Персиковая косточка закреплена в тисках. Для создания её изображения используются только наблюдения за тем, как отскакивают предметы – «зонды», – брошенные в неё. Используя зонды всё меньшего размера – шарики ( а), пятимиллиметровые пульки ( б), полумиллиметровые пульки ( в), можно получать всё более детальное изображение

Лучшее, что удалось изобразить Слиму, показано на рис. 6.4 а. Наблюдая за траекторией отскакивающих шариков, он смог установить, что размер косточки мал, и что она имеет твёрдую поверхность. Но это всё, что ему удалось узнать. Шарики были слишком велики, чтобы на них оказывали влияние более мелкие детали строения персиковой косточки. Когда Слим бросил взгляд на рисунок Джима (рис. 6.4 б), он был поражён тем, что увидел. Однако быстрый взгляд на стрелялку Джима позволил ему понять, в чём дело: небольшие пульки, используемые Джимом, были достаточно малы, чтобы на угол, под которым они отражались, оказывали влияние некоторые крупные детали строения косточки. Таким образом, выстрелив в косточку большим количеством пятимиллиметровых пулек и наблюдая за их траекториями после отскока, Джим смог нарисовать более подробный рисунок. Чтобы не проиграть, Слим взял свою стрелялку, заполнил её снарядами ещё меньшего размера – полумиллиметровыми пульками, – которые так малы, что на характер их отражения будут оказывать влияние мельчайшие морщинки на поверхности косточки. Наблюдая за отскоком этих пулек, он смог нарисовать рисунок, который принёс ему победу (рис. 6.4 в).

Урок, который можно извлечь из этого маленького состязания, ясен: размер частиц-зондов не может существенно превышать размер изучаемых физических особенностей; в противном случае разрешающая способность исследования окажется недостаточной для изучения интересующих нас структур.

Те же самые выводы относятся, конечно, и к случаю, когда мы захотим провести более глубокое исследование персиковой косточки, чтобы определить её структуру на атомном и субатомном уровне. Полумиллиметровые пульки не дадут никакой полезной информации по этому вопросу; они явно слишком велики, чтобы исследовать структуру на атомном уровне. Именно по этой причине в ускорителях в качестве зондов используются протоны или электроны: маленький размер этих частиц делает их гораздо более подходящими для этой цели. На субатомном уровне, где на смену классической логике приходят квантовые понятия, наиболее подходящей мерой разрешающей способности частиц является квантовая длина волны, которая определяет диапазон неопределённости местонахождения частиц. Этот факт является следствием приведённого в главе 4 обсуждения соотношения неопределённостей Гейзенберга. Там мы установили, что минимальная погрешность при использовании в качестве зонда точечных частиц (мы говорили о фотонных зондах, но сказанное применимо и ко всем другим частицам) примерно равна квантовой длине волны частицы, используемой в качестве зонда. Грубо говоря, разрешающая способность точечной частицы размазывается в результате действия квантовых флуктуаций подобно тому, как точность скальпеля хирурга уменьшается, когда его руки дрожат. Вспомним, однако, что в главе 4 мы также отметили один важный факт, состоящий в том, что квантовая длина волны частицы обратно пропорциональна моменту количества движения, который, грубо говоря, определяется её энергией. Таким образом, увеличивая энергию точечной частицы, можно делать её квантовую длину волны всё меньше и меньше, квантовое размазывание будет всё более уменьшаться и, следовательно, мы сможем использовать эту частицу для изучения всё более тонких структур. Интуитивно понятно, что частицы высокой энергии имеют бо́льшую проникающую способность и могут использоваться для изучения более мелких деталей строения.

В этом смысле становится очевидным различие между точечными частицами и нитями струн. Как в примере с пластиковыми пульками для изучения структуры поверхности персиковой косточки, присущая струне пространственная протяжённость не позволяет использовать её для исследования объектов, размер которых существенно меньше размера струны, в нашем случае – объектов, характерные размеры которых меньше планковской длины. Если перейти к более точным формулировкам, в 1988 г. Дэвид Гросс, работавший в то время в Принстонском университете, и его студент Пол Менде показали, что если учитывать квантовую механику, то непрерывное увеличение энергии струны не приводитк непрерывному увеличению её способности исследовать всё более тонкие структуры, в отличие от того, что имело бы место для точечной частицы. Они установили, что при увеличении энергии струны сначала её разрешающая способность растёт так же, как у точечной частицы высокой энергии. Однако, когда энергия струны превышает значение, необходимое для изучения структур в масштабе планковской длины, дополнительная энергия перестаёт вызывать увеличение разрешающей способности. Вместо этого дополнительная энергия приводит к увеличению размераструны, тем самым уменьшаяеё разрешающую способность. Типичный размер струны близок к планковской длине, но если накачать струну достаточной энергией, которую мы не можем даже представить, но которая могла существовать во время Большого взрыва, то можно было бы заставить струну вырасти до макроскопическихразмеров. Это был бы довольно топорный инструмент для изучения микромира! Всё выглядит так, как будто струна, в отличие от точечной частицы, имеет дваисточника размазывания: квантовые флуктуации, как для точечной частицы, а также собственные пространственные размеры. Увеличение энергии струны уменьшает размазывание, связанное с первым источником, но, в конечном счёте, увеличивает размазывание, обусловленное вторым. В результате, как бы вы ни старались, физические размеры струны не позволят вам использовать её на субпланковском масштабе расстояний.

Но ведь конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой возникает благодаря свойствам структуры пространства, проявляющимся в субпланковском масштабе расстояний. Если элементарные компоненты Вселенной непригодны для исследований на субпланковских масштабах расстояний, это значит, что ни они, ни какие-либо объекты, состоящие из таких компонентов, не могут испытывать влияния этих кажущихся гибельных квантовых флуктуаций на малых масштабах.Это похоже на то, что произойдёт, если мы проведём рукой по полированной гранитной поверхности. Хотя на микроскопическом уровне гранит является дискретным, зернистым и неровным, наши пальцы не смогут обнаружить эти микроскопические неровности, и поверхность покажется нам абсолютно гладкой. Наши толстые, длинные пальцы «смажут» микроскопическую дискретность. Подобно этому, поскольку струна имеет конечные пространственные размеры, существует нижний предел её разрешающей способности. Струна не способна обнаружить изменения на субпланковском масштабе расстояний. Подобно нашим пальцам на граните, струна смажет ультрамикроскопические флуктуации гравитационного поля. И хотя результирующие флуктуации по-прежнему остаются значительными, это смазывание сгладит их в степени, достаточной для преодоления несовместимости общей теории относительности и квантовой механики. В частности, теория струн ликвидирует обсуждавшиеся в предыдущей главе фатальные бесконечности, возникающие при попытке построить квантовую теорию гравитации на основе модели точечных частиц.

Существенное различие между аналогией с гранитом и нашей реальной проблемой структуры пространства состоит в том, что существуют способы обнаружить микроскопическую дискретность поверхности гранита. Для этого могут использоваться более точные зонды, чем наши пальцы. Электронный микроскоп способен обнаружить поверхностные структуры, размер которых составляет менее одной миллионной доли сантиметра; этого достаточно, чтобы увидеть многочисленные неровности на поверхности. В противоположность этому, в теории струн нет способа обнаружить «неровности» в структуре пространства на субпланковском уровне. Во Вселенной, управляемой законами теории струн, уже не является истинной обычная точка зрения, согласно которой мы можем без ограничения делить объекты на всё более и более мелкие части. Предел существует, он вступает в игру, когда мы сталкиваемся с разрушительной квантовой пеной, показанной на рис. 5.1. Следовательно, в определённом смысле, который станет яснее в последующих главах, можно утверждать, что бурные квантовые флуктуации на субпланковских расстояниях не существуют. Как выразился бы позитивист, объект или явление существует, только если мы можем – хотя бы в принципе – исследовать и измерить его. Поскольку предполагается, что струны являются наиболее фундаментальным объектом мироздания и имеют слишком большой размер, чтобы на них оказывали влияние флуктуации структуры пространства, происходящие на субпланковских расстояниях, эти флуктуации не могут быть измерены, и, следовательно, согласно теории струн они не существуют.