Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 36 (всего у книги 52 страниц)

Первая революция

Я поступил в аспирантуру в Оксфордском университете в конце 1984 г. и в течение нескольких месяцев коридоры гудели от разговоров о революции в физике. Поскольку Интернету ещё только предстояло получить широкое распространение, доминирующим каналом обмена информацией были слухи, и каждый день они доносили вести о новых прорывах. Исследователи повсюду высказывались в том смысле, что атмосфера была заряжена так, как не бывала со времён первых дней квантовой механики, и шли серьёзные разговоры о том, что конец теоретической физики находится в пределах достижимого.

Теория струн была новой почти для каждого, так что в эти ранние дни её детали не были общеизвестны. Нам особенно повезло в Оксфорде: Майкл Грин в то время посетил его с лекцией по теории струн, так что многие из нас ознакомились с основными идеями теории и её существенными утверждениями. И это были впечатляющие утверждения. В двух словах, вот что гласила теория:

Возьмите любое тело – кусок льда, каменную глыбу, железную плиту – и представьте, что его делят пополам, затем один из кусков ещё пополам и т. д.; представьте продолжающееся деление материала на всё более мелкие куски. Примерно 2500 лет назад древние греки сформулировали проблему определения мельчайшей неделимой составляющей, которая являлась бы конечным продуктом такой процедуры. В наше время мы узнали, что рано или поздно вы придёте к атомам, но атомы не являются ответом на вопрос греков, поскольку они могут быть разделены на более мелкие составляющие. Атомы могут быть расщеплены. Мы узнали, что они состоят из электронов, которые роятся вокруг центрального ядра, а оно, в свою очередь, состоит из ещё более мелких частиц – протонов и нейтронов. А в конце 1960-х гг. эксперименты на Стэнфордском линейном ускорителе показали, что даже сами нейтроны и протоны построены из более фундаментальных составляющих: каждый протон и каждый нейтрон состоит из трёх частиц, называемых кварками, как было отмечено в главе 9 и как проиллюстрировано на рис. 12.3 а.

Рис. 12.3.( а) Обычная теория основана на электронах и кварках как базовых составляющих материи. ( б) Теория струн предполагает, что каждая частица на самом деле является вибрирующей струной

Обычная теория, поддерживаемая современнейшими экспериментами, представляет электроны и кварки как точки без какой-либо пространственной протяжённости; в этом смысле, следовательно, они знаменуют конец процедуры деления – последнюю фигурку природной матрёшки, которая может быть найдена в микроскопической структуре материи. Именно тут появляется теория струн. Теория струн бросает вызов обычной картине, предполагая, что электроны и кварки неявляются частицами нулевого размера. Обычная модель точечно-подобной частицы в соответствии с теорией струн является приближением к более тонкому представлению, в котором каждая частица на самом деле является крохотной вибрирующей нитью энергии, названной струной, как вы можете видеть на рис. 12.3 б. Эти нити вибрирующей энергии представляются не имеющими толщины, только длину, так что струны являются одномерными сущностями. Кроме того, поскольку струны столь малы, в несколько сотен миллиардов миллиардов раз меньше атомного ядра (10 ⁻³³см), они кажутся точками даже тогда, когда исследуются на наших самых совершенных ускорителях.

Поскольку наше понимание теории струн далеко от полноты, никто не может сказать с уверенностью, заканчивается ли история на этом, – если теория корректна, являются ли струны действительно самой маленькой матрёшкой, или они сами могут быть составлены из ещё более мелких ингредиентов. Мы вернёмся к этой проблеме, но пока мы будем следовать историческому развитию предмета и представим, что струны – это действительно предел всего; мы представим, что струны являются самыми элементарными кирпичиками во Вселенной.

Теория струн и объединение

В этом, вкратце, состоит суть теории струн, но чтобы передать мощь нового подхода, я должен немного более полно описать обычную физику частиц. За последние сто лет физики прощупывали, расплющивали и распыляли материю в поиске элементарных составляющих Вселенной. И, действительно, они нашли, что почти во всём, с чем кто-либо когда-либо сталкивался, фундаментальными ингредиентами являются только что упомянутые электроны и кварки – более точно, как говорилось в главе 9, электроны и два вида кварков, u-кварк и d-кварк, которые отличаются массой и электрическим зарядом. Но эксперименты также показали, что Вселенная имеет другие, более экзотические типы частиц, которые не встречаются в обычной материи. В дополнение к u-кварку и d-кварку эксперименты идентифицировали четыре других вида кварков ( c-кварки, s-кварки, b-кварки и t-кварки) и два других вида частиц, которые очень похожи на электроны, только тяжелее (мюоны и тау-частицы). Возможно, эти частицы рождались в изобилии сразу после Большого взрыва, но сегодня они возникают только как эфемерные осколки от высокоэнергетических столкновений между более привычными частицами. Наконец, экспериментаторы также открыли три вида призрачных частиц, называемых нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), которые могут проходить через триллионы километров свинца так же легко, как мы проходим сквозь воздух. Эти частицы – электрон и два его более тяжёлых родственника, шесть видов кварков и три вида нейтрино – являются ответом сегодняшнего специалиста по физике частиц на вопрос древних греков о том, из чего состоит материя. ^{163}

Список видов частиц может быть организован в три «семьи», или «поколения», частиц, как показано в табл. 12.1. Каждое поколение имеет два кварка, одно нейтрино и одну электроноподобную частицу; единственная разница между соответствующими частицами в поколениях заключается в том, что их массы возрастают в каждом последующем поколении. Разделение на поколения определённо наводит на мысль о лежащей в основании системе, но от нагромождения частиц голова легко может пойти кругом (или, хуже того, вы просто заснёте). Однако держитесь крепче, поскольку одно из самых прекрасных свойств теории струн заключается в том, что она способна приручить всю эту видимую сложность.

Таблица 12.1.Три поколения фундаментальных частиц и их массы (в единицах масс протона). Известно, что величины масс нейтрино не равны нулю, но их точные величины пока ускользают от экспериментального определения

Электрон	0,00054	Мюон	0,11	Тау	1,9
Электронное нейтрино	< 10 -9	Мюонное нейтрино	< 10 -4	Тау-нейтрино	< 10 -3
u-кварк	0,0047	c-кварк	1,6	t-кварк	189
d-кварк	0,0074	s-кварк	0,16	b-кварк	5,2

В соответствии с теорией струн имеется только одинфундаментальный ингредиент – струна, и всё богатство разновидностей частиц просто отражает различные типы колебаний струны. Это похоже на то, что происходит с более обычными струнами виолончели или скрипки. Виолончельная струна может колебаться множеством различных способов, и мы слышим каждый способ как отдельную музыкальную ноту. За счёт этого одна виолончельная струна может издавать целый набор различных звуков. Струны в теории струн ведут себя аналогично: они тоже могут вибрировать различными способами. Но вместо получения различных музыкальных тонов различные способы колебаний в теории струн соответствуют различным видам частиц. Ключевая идея заключается в том, что разные способы колебаний струны дают определённую массу, определённый электрический заряд, определённый спин и т. д. – получается определённый список свойств, который отличает один тип частицы от другого. Колебание струны одним способом может иметь свойства электрона, в то время как струна, колеблющаяся другим способом, может иметь свойства u-кварка, d-кварка или любого другого типа частиц из табл. 12.1. Это не значит, что «электронная струна» составляет электрон, или « u-кварковая струна» составляет u-кварк, или « d-кварковая струна» составляет d-кварк. Единственный тип струны может отвечать за великое множество частиц, поскольку струна может выполнять великое множество способов колебаний.

Как вы видите, это представляет потенциально гигантский шаг в направлении унификации. Если теория струн верна, кружащий голову и утомительный список частиц в табл. 12.1 представляется репертуаром вибраций единственного базового ингредиента. Метафорически, различные ноты, которые могут быть сыграны на единственной разновидности струны, могут отвечать за все различные обнаруженные частицы. На ультрамикроскопическом уровне Вселенная будет сродни симфонии струн, вибрация которых приводит к существованию материи.

Это – восхитительно элегантная система для объяснения частиц в табл. 12.1, но, кроме того, предложенная теорией струн унификация идёт ещё дальше. В главе 9 и в нашем обсуждении выше мы говорили о том, что силы природы переносятся на квантовом уровне другими частицами, частицами – переносчиками взаимодействий, которые собраны в табл. 12.2. Теория струн отвечает за частицы – переносчики взаимодействий точно так же, как она отвечает за частицы материи. А именно, каждая частица-переносчик является струной, которая вибрирует определённым способом. Фотон является вибрацией струны одним способом, W-частица есть вибрация струны другим способом. И, что очень важно, как показали Шварц и Шерк в 1974 г., имеется особый способ вибрации, который имеет все свойства гравитона, так что гравитационная сила тоже включена в квантово-механическую схему теории струн. Таким образом, не только частицы материи возникают из вибрирующих струн, но также и частицы – переносчики взаимодействий, даже частица – переносчик гравитации.

Таблица 12.2.Четыре силы природы вместе со связанными с ними частицами и их массами в единицах массы протона (в действительности имеется две W-частицы – одна с зарядом +1 и одна с зарядом −1, – которые имеют одинаковую массу; для простоты мы пренебрегаем этими деталями и отмечаем каждую как W-частицу)

Сильное	Глюон	0
Электромагнитное	Фотон	0
Слабое	W; Z	86; 97
Гравитационное	Гравитон	0

Итак, помимо обеспечения первого успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики, теория струн обнаруживает свою силу, обеспечивая единое описание для всей материи и всех взаимодействий. Это то утверждение, которое в середине 1980-х гг. выбило из колеи тысячи физиков; со временем они пришли в себя, и многие поменяли убеждения.

Почему работает теория струн?

До разработки теории струн путь научного прогресса был усеян неудачными попытками соединить гравитацию и квантовую механику. Так что же есть такого в теории струн, что позволило ей так сильно преуспеть? Мы описали, как Шварц и Шерк осознали, в значительной степени неожиданно для самих себя, что имеется специальный способ вибрации струны, который обладает точно такими свойствами, чтобы быть гравитоном, и, как они затем заключили, теория струн обеспечивает готовую схему для соединения двух теорий. Исторически в самом деле так и было, сила и перспективность теории струн действительно были поняты случайно; но как объяснение, почему струнный подход преуспевает там, где все другие попытки пасуют, оно оставляет желать лучшего. Рисунок 12.2 представляет конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой – на ультракоротких пространственных (и временных) масштабах буйство квантовой неопределённости становится настолько сильным, что гладкая геометрическая модель пространства-времени, лежащая в основе общей теории относительности, перестаёт работать – так что вопрос в следующем: как теория струн решает проблему? Как теория струн успокаивает буйные флуктуации пространства-времени на ультрамикроскопических расстояниях?

Главное новое свойство теории струн в том, что её основной ингредиент – не точечная частица (точка без размера), а объект, который имеет пространственную протяжённость. Это различие имеет ключевое значение для успеха теории струн в соединении гравитации и квантовой механики.

Буйство, показанное на рис. 12.2, возникает в результате применения принципа неопределённости к гравитационному полю; из принципа неопределённости следует, что на всё меньших и меньших масштабах флуктуации гравитационного поля будут всё больше и больше. На таких экстремально малых масштабах расстояний мы должны описывать гравитационное поле в терминах его фундаментальных составляющих, гравитонов, примерно так, как на молекулярных масштабах мы должны описывать воду в терминах молекул H ₂O. На этом языке буйное волнение гравитационного поля должно мыслиться как большое количество гравитонов, дико носящихся туда-сюда, как частицы грязи и пыли, захваченные свирепым торнадо. Теперь, если бы гравитоны были точечными частицами (как представлялось в более ранних, неудачных попытках объединения гравитации и квантовой механики), рис. 12.2 точно отражал бы их коллективное поведение: чем меньше масштаб расстояний, тем больше волнение. Но теория струн меняет этот вывод.

В теории струн каждый гравитон есть вибрирующая струна – нечто, что не является точкой, но имеет размер порядка планковской длины (10 ⁻³³см). ^{164} А поскольку гравитоны являются мельчайшими, наиболее элементарными составляющими гравитационного поля, не имеет смысла говорить о поведении гравитационных полей в масштабах меньше планковской длины. Точно так же, как разрешение вашего телевизионного экрана ограничено размером отдельных пикселов или зёрен, разрешение гравитационного поля в теории струн ограничено размером гравитонов. Таким образом, ненулевой размер гравитонов (и чего угодно другого) в теории струн устанавливает предел, грубо говоря, на уровне планковской длины, с точностью до которого может быть разрешено гравитационное поле.

Это понимание имеет жизненно важное значение. Неконтролируемые квантовые флуктуации, проиллюстрированные на рис. 12.2, возникают только тогда, когда мы рассматриваем квантовую неопределённость на произвольно коротких масштабах расстояний – масштабах короче планковской длины. В любой теории, основанной на точечных частицах нулевого размера, такое применение принципа неопределённости оправдано и, как мы видели на рисунке, это приводит нас к диким ландшафтам за пределами достижимости общей теории относительности Эйнштейна. Однако теория, основанная на струнах, включает встроенную защиту от отказов. В теории струн струны являются самыми мелкими составными частями, так что наше путешествие в ультрамикроскопическое подходит к концу, когда мы достигаем длины Планка – размера самих струн. На рис. 12.2 планковский масштаб представлен вторым сверху уровнем; как вы можете видеть, на таких масштабах флуктуации ткани пространства всё ещё остаются, так как гравитационное поле всё ещё подвержено квантовому дрожанию. Но эта дрожь достаточно мягкая, чтобы избежать неустранимого конфликта с общей теорией относительности. Точная математика, лежащая в основе общей теории относительности, должна быть модифицирована, чтобы включить эти квантовые колебания, но это может быть сделано, и математика остаётся осмысленной.

Таким образом, вводя ограничения, на сколько глубоко мы можем продвинуться, теория струн ограничивает величину флуктуаций гравитационного поля – и предел оказывается разумным ровно настолько, чтобы избежать катастрофического конфликта между квантовой механикой и общей теорией относительности. То есть теория струн смягчает антагонизм между двумя схемами и впервые оказывается способной соединить их.

Ткань космоса в области малого

Что это значит для ультрамикроскопической природы пространства и пространства-времени в более общем смысле? С одной стороны, это бросает вызов обычному представлению, что ткань пространства и времени непрерывна, – что вы можете всегда разделить расстояние между здесь и там или продолжительность между теперь и тогда пополам, и снова пополам, бесконечно деля пространство и время на всё более малые части. Вместо этого, когда вы доходите до планковской длины (до длины струны) и до планковского времени (до времени, которое требуется свету, чтобы преодолеть длину струны) и пытаетесь разделить пространство и время ещё, вы обнаруживаете, что это невозможно. Концепция «быть ещё меньше» теряет смысл, как только вы достигаете размера наименьшейсоставляющей космоса. Для точечных частиц нулевого размера это не приводит к ограничению, но поскольку струны имеют размер, для них это к ограничениям приводит. Если теория струн верна, обычные концепции пространства и времени, те рамки, в которые вложен весь наш повседневный опыт, просто неприменимы на масштабах меньше планковского масштаба – масштабах самих струн.

Что касается концепций, которые должны прийти на смену, по ним всё ещё нет консенсуса. Одна возможность, которая согласуется с изложенным выше объяснением того, как теория струн соединяет квантовую механику с общей теории относительности, заключается в том, что ткань пространства на планковском масштабе похожа на решётку или сетку, в которой «пространство» между линиями сетки находится вне границ физической реальности. Точно так же, как микроскопический муравей, гуляя по обычному кусочку ткани, будет перебираться с нити на нить, может быть, движение через пространство на ультрамикроскопических масштабах аналогично требует дискретных перескоков с одной «нити» пространства на другую. Время тоже может иметь зернистую структуру с отдельными моментами, тесно упакованными друг к другу, но не сливающимися в сплошной континуум. При таком понимании представление о всё более мелких пространственных и временных интервалах резко обрывается на планковском масштабе. Точно так же, как нет такой вещи, как американская монета достоинством меньше пенни, так и нет такой вещи, как расстояние меньше планковской длины или продолжительность короче планковского времени, если ультрамикроскопическое пространство-время имеет структуру сетки.

Другая возможность заключается в том, что пространство и время не теряют внезапно смысл на экстремально малых масштабах, а вместо этого постепенно модифицируются в иные, более фундаментальные концепции. Сокращение масштабов до величин меньше планковских будет запрещено не потому, что вы наткнётесь на фундаментальную сетку, а потому, что концепции пространства и времени продолжаются в виде понятий, для которых «сокращение до меньших размеров» столь же бессмысленно, как вопрос, не является ли счастливым число девять. Это значит, мы можем представлять себе, что когда привычные макроскопические пространство и время постепенно трансформируются в их непривычные ультрамикроскопические двойники, многие из их обычных свойств – такие как длина и продолжительность – становятся неприменимыми или бессмысленными. Вы можете осмысленно говорить о температуре и вязкости жидкой воды – о концепциях, которые применимы к макроскопическим свойствам жидкости, – но когда вы спускаетесь на уровень отдельных молекул H ₂O, эти концепции теряют смысл. Точно так же, вполне возможно, что, хотя вы можете делить область пространства и продолжительность времени пополам и снова пополам на повседневных масштабах, но когда вы доходите до планковских масштабов, происходит трансформация, которая делает такое деление бессмысленным.

Многие струнные теоретики, включая меня, сильно подозревают, что что-то в духе указанных возможностей происходит на самом деле, но чтобы идти дальше, мы должны вывести эти более фундаментальные понятия, в которые трансформируются пространство и время. [76]76
  Я могу заметить, что последователи другого подхода по соединению общей теории относительности с квантовой механикой, петлевой квантовой гравитации, которая будет коротко обсуждаться в главе 16, придерживаются той точки зрения, которая недалека от первого из упомянутых выше предположений, – что на самых мелких масштабах пространство-время имеет дискретную структуру.


[Закрыть]На сегодняшний день этот вопрос остаётся без ответа, но передовые исследования (описываемые в последней главе) предлагают некоторые возможности с далеко идущими следствиями.

Более тонкие вопросы

Из описаний, которые я давал до настоящего времени, может показаться загадочным, что некоторые физики сопротивляются очарованию теории струн. Наконец-то есть теория, которая даёт надежду на осуществление мечты Эйнштейна и даже больше; теория, которая может сгладить трение между квантовой механикой и общей теорией относительности; теория с возможностью объединения всей материи и всех сил через описание всего этого в терминах вибрирующих струн; теория, которая предлагает существование ультрамикроскопической области, в которой привычное пространство и время могут оказаться так же старомодны, как телефон с дисковым набором; короче говоря, теория, которая обещает дать нам совершенно новый уровень понимания Вселенной. Но не стоит забывать, что никто никогда не видел струну и, исключая некоторые радикальные идеи, обсуждаемые в следующей главе, скорее всего никто никогда их и не увидит, даже если теория струн верна. Струны столь малы, что прямое наблюдение их равносильно чтению текста этой страницы с расстояния 100 световых лет: это требует разрешающей силы примерно в миллиард миллиардов раз лучшей, чем позволяют наши современные технологии. Некоторые учёные громогласно заявляют, что теория, настолько удалённая от прямой эмпирической проверки, лежит в области философии или теологии, но не физики.

Я нахожу это взгляд недальновидным или, уж по крайней мере, преждевременным. Хотя мы никогда не сможем иметь технологию, позволяющую увидеть струны непосредственно, история науки переполнена теориями, которые проверялись экспериментально косвенным образом. ^{165} Теория струн не скромничает. Её цели и обещания велики. И это возбуждает, поскольку, если теория претендует на то, чтобы быть теорией нашей Вселенной, она должна соответствовать реальному миру не только в общих чертах, как это обсуждалось до сих пор, но так же и в мельчайших деталях. Как мы теперь увидим, здесь и лежат потенциальные возможности для проверки теории.

В течение 1960-х и 1970-х гг. физики, занимающиеся частицами, сделали огромный шаг в понимании квантовой структуры материи и негравитационных сил, которые управляют её поведением. Схема, к которой они в конце концов пришли, опираясь на экспериментальные результаты и теоретическое исследования, называется стандартной модельюфизики частиц и основывается на квантовой механике, в которой все частицы материи из табл. 12.1 и частицы взаимодействий из табл. 12.2 (исключая гравитон, поскольку стандартная модель не включает гравитацию, но включая частицу Хиггса, которая не приведена в таблицах) рассматриваются как точечные частицы. Стандартная модель способна объяснять практически все данные, получаемые на всех ускорителях, и в течение ряда лет её изобретатели заслуженно получали наивысшие почести. Несмотря на это, стандартная модель имеет существенные ограничения. Мы уже обсуждали, как она и все другие подходы, предшествовавшие теории струн, потерпели неудачу в объединении гравитации с квантовой механикой. Но имеются также и другие изъяны.

Стандартная модель не может объяснить, почемувзаимодействия переносятся в точности частицами из списка табл. 12.2 и почемуматерия составлена в точности частицами из списка табл. 12.1. Почему имеются три поколения частиц материи и почему каждое поколение содержит именно те частицы, которые содержит? Почему не два поколения или просто одно? Почему электрон имеет в три раза больший заряд, чем d-кварк? Почему мюон весит в 23,4 раза больше, чем u-кварк, и почему t-кварк весит примерно в 350 000 раз больше электрона? Почему Вселенная сконструирована с использованием этих чисел, кажущихся случайными? Стандартная модель принимает частицы из табл. 12.1 и 12.2 (опять исключая гравитон) как входные данные и затем делает впечатляюще точные предсказания о том, как частицы будут взаимодействовать и влиять друг на друга. Но стандартная модель не может объяснить входные данные – частицы и их свойства, – как ваш калькулятор не может объяснить, почему вы вводили в него именно эти числа, когда пользовались им последний раз.

Загадочность свойств этих частиц не есть просто академический вопрос, почему той или иной таинственной детали случилось иметь тот или иной вид. На протяжении последнего столетия учёные поняли, что Вселенная имеет привычные свойства, известные из повседневного опыта, только потому, что частицы табл. 12.1 и 12.2 имеют в точности те свойства, которые они имеют. Даже совсем небольшие изменения масс или электрических зарядов некоторых частиц могли бы, например, сделать их неспособными участвовать в ядерных процессах, которые дают энергию звёздам. А без звёзд Вселенная была бы совсем другой. Таким образом, детальные свойства элементарных частиц переплетены с тем, что многие рассматривают как глубочайший вопрос всей науки: почему элементарные частицы имеют точно такие свойства, которые позволяют протекать ядерным процессам, светить звёздам, формироваться планетам вокруг звёзд и по меньшей мере на одной такой планете существовать жизни?

Стандартная модель не может пролить никакого света на этот вопрос, поскольку свойства частиц являются частью необходимых для этой теории входных данных. Теория не сдвинется с места и не начнёт давать результаты, пока не будут заданы свойства частиц. Но теория струн иная. В теории струн свойства частиц определяютсяспособами вибрации струны, так что теория обещает дать объяснение свойствам частиц.