Текст книги "Гиперпространство"

Автор книги: Митио Каку

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 14 страниц]

Стандартная модель

Сегодня поле Янга-Миллса открыло возможность всеобъемлющей теории материи. Мы настолько уверены в этой теории, что ласково называем ее Стандартной моделью.

Стандартная модель способна объяснить все экспериментальные данные, касающиеся субатомных частиц с энергией вплоть до 1 ТэВ (энергией, возникающей при ускорении электрона в поле, созданном разностью потенциалов в триллион вольт). Это почти предел для ускорителей, существующих в настоящее время [55]55
  До запуска Большого адронного коллайдера. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Следовательно, можно без преувеличения сказать, что Стандартная модель – самая удачная теория в истории науки.

Согласно Стандартной модели каждое взаимодействие, связывающее различные частицы, создается при обмене различными видами квантов. Сейчас мы рассмотрим силы по отдельности, а затем объединим их в Стандартную модель.

Сильное взаимодействие

Стандартная модель гласит, что протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы вовсе не являются элементарными, а состоят из других, еще более малых частиц – кварков.В свою очередь, кварки различают по трем «цветам» и шести «ароматам» (эти термины не имеют никакого отношения к цветам и ароматам в привычном понимании этих слов). Существуют также аналоги кварков, характерные для антиматерии, – антикварки. (Антиматерия идентична материи во всех отношениях, но имеет противоположные заряды и аннигилирует при соприкосновении с обычной материей.) Таким образом, получаем 3x6x2 = 36 кварков.

В свою очередь, кварки удерживаются вместе благодаря обмену небольшими порциями энергии – глюонами.Математически эти глюоны описываются полем Янга-Миллса, которое «сгущается» в липкую субстанцию, которая прочно связывает кварки между собой. Глюонное поле обладает такой силой и связывает кварки так прочно, что их невозможно оторвать друг от друга. Это явление называется кварковым конфайнментом,им можно объяснить причину, по которой свободные кварки так и не удалось получить экспериментальным путем.

Например, протон и нейтрон можно сравнить с тремя стальными шарами (кварки) в метательном снаряде для ловли скота бола,им не дает разлететься Y-образная бечевка (глюон). Другие частицы, между которыми существует сильное взаимодействие, например 7  π-мезон, можно сравнить с кварком и антикварком, которые удерживаются вместе одной бечевкой (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Частицы, между которыми есть сильное взаимодействие, в действительности состоят из еще более мелких частиц, которые называются кварками. Они связаны друг с другом вязким «клеем», который описан полем Янга-Миллса. Протон и нейтрон состоят из трех кварков каждый, а мезон – из кварка и антикварка.

Ясно, что при воздействии на эту конструкцию из стальных шаров мы можем заставить ее колебаться. В мире квантов допустим лишь дискретный набор колебаний. Каждая вибрация группы стальных шаров или кварков соответствует определенному типу субатомных частиц. Таким образом, эта простая (но имеющая огромное значение) схема объясняет, что существует бесконечное множество частиц, связанных сильным взаимодействием. Часть Стандартной модели, описывающая сильное взаимодействие, называется квантовой хромодинамикой (КХД) – квантовой теорией цветового взаимодействия.

Слабое взаимодействие

По Стандартной модели, сила слабого взаимодействия обуславливает свойства таких лептонов, как электрон, мюон, тау-мезон и соответствующие им нейтрино. Подобно другим силам, лептоны взаимодействуют, обмениваясь квантами, которые называются W– и Z-бозонами. Математически эти кванты также описываются полем Янга-Миллса. В отличие от глюонной силы, взаимодействие, созданное обменом W– и Z-бозонами, слишком слабое, чтобы привести связанные лептоны в резонанс, поэтому мы и не видим появляющееся при работе ускорителей бесконечное множество лептонов.

Электромагнитное взаимодействие

В Стандартную модель входит максвелловская теория взаимодействия с другими частицами. Эта часть Стандартной модели, объясняющая взаимодействие электронов и света и именуемая квантовой электродинамикой (КЭД), подтверждена экспериментально и верна с точностью до одной десятимиллионной – строго говоря, это самая точная теория в истории.

Словом, плоды 50-летних исследований, на которые затрачено несколько сотен миллионов долларов государственных средств, дают нам следующую картину субатомной материи: вся материя состоит из кварков и лептонов, которые взаимодействуют, обмениваясь квантами разных видов, описанными полями Максвелла и Янга-Миллса.В одном предложении мы выразили суть продолжавшихся весь прошлый век обескураживающих исследований субатомного мира. Из этой простой картины можно с помощью одной только математики вывести бесчисленные и непостижимые свойства материи. (Теперь кажется, что это просто, между тем нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, один из авторов Стандартной модели, вспоминал, каким извилистым был 50-летний путь к ее открытию. Он писал: «В теоретической физике есть традиционное представление, которое, безусловно, влияло на всех, но на меня особенно. Было принято считать, что сильное взаимодействие – слишком сложное явление, непостижимое человеческим разумом» [56]56
  Процитировано в: Криз и Манн «Второе сотворение» (R. P. Crease and С. С. Mann, The Second Creation, New York: Macmillan, 1986), c. 293.


[Закрыть].)

Симметрия в физике

Подробности Стандартной модели довольно скучны и мало-значимы. Самая интересная особенность этой модели – симметрия, лежащая в ее основе. Исследованиям материи («дерева») способствовало то, что несомненный признак симметрии виден в каждом взаимодействии. Кварки и лептоны появляются не в произвольном порядке, а согласно определенным закономерностям Стандартной модели.

Строго говоря, симметрией занимаются не только физики. Художники, писатели, поэты и математики с давних пор восхищались красотой, которую усматривали в симметрии. Поэт Уильям Блейк видел в симметрии мистические и даже пугающие свойства, о чем писал в стихотворении «Тигр»:

 
Тигр, о тигр, светло горящий
В глубине полночной чащи,
Кем задуман огневой
Соразмерный образ твой? [57]57
  Пер. С. Маршака. – Прим. пер.


[Закрыть] [58]58
  Уильям Блейк «Тигр, о тигр, светло горящий» из «Песен Невинности и Опыта» (Poems of William Blake, ed. W. В. Yeats, London: Routledge, 1905).


[Закрыть]
 

Для математика Льюиса Кэрролла симметрия была привычным понятием и порой предметом шуток. В «Охоте на Снарка» он так выразил сущность симметрии:

 
Кипятите в опилках; солите в клею;
Саранчой и тесьмой укрепите;
Но и главную цель не забудьте свою —
Симметричность ему сохраните! [59]59
  Пер. М. Пухова. – Прим. пер.


[Закрыть]
 

Иными словами, симметрия – это сохранение предметом формы даже после того, как мы деформируем или вращаем его. Несколько видов симметрии распространены в природе. Первый – симметрия вращений и отражений. К примеру, снежинка выглядит так же, как прежде, если повернуть ее на 60°. К тому же типу относится симметрия калейдоскопа, цветка, морской звезды. Мы называем ее пространственно-временной симметрией, создаваемой вращением объекта в пространственном или временном измерении. Симметрия специальной теории относительности – того же типа, так как описывает пространственно-временные вращения.

Симметрия еще одного типа возникает при перетасовке ряда объектов. Представьте себе уличного наперсточника, который передвигает три наперстка, под одним из которых спрятана горошина. Игру усложняет множество разных способов расстановки наперстков. По сути дела, переставить три наперстка можно шестью разными способами. Поскольку горошина не видна, для наблюдателя все шесть положений идентичны. Математикам нравится присваивать разным видам симметрии обозначения. Симметрия игры в наперстки названа S ₃– так обозначается количество способов взаимной перестановки трех идентичных предметов.

Если заменить наперстки кварками, тогда уравнения физики частиц должны оставаться неизменными при перестановке кварков. Если мы перетасовали три цветных кварка, а уравнения остались прежними, мы говорим, что этим уравнениям присуща симметрия SU (3). Число 3 отражает тот факт, что в нашем распоряжении три цвета, a SU обозначает конкретное математическое свойство симметрии [60]60
  SU (special unitary) относится к специальным унитарным матрицам, т. е. тем унитарным матрицам, у которых определитель равен единице. – Прим. авт.


[Закрыть]. Мы говорим, что в мультиплетвходят три кварка. Кварки в мультиплетной структуре можно перетасовывать, не меняя физического смысла теории.

Подобно этому, слабое взаимодействие определяет свойства двух частиц – электрона и нейтрино. Симметрия, которая подразумевает перестановку этих частиц, но уравнение при этом не меняется, называется SU (2). Это означает, что мультиплет слабого взаимодействия содержит электрон и нейтрино, которые можно поворачивать один относительно другого. И наконец, силе электромагнитного взаимодействия присуща симметрия U(1), предусматривающая вращение компонентов поля Максвелла в самом поле.

Все эти виды симметрии просты и элегантны. Однако самый спорный аспект Стандартной модели заключается в том, что оно «объединяет» три фундаментальных взаимодействия, просто сращивая все три теории и получая одну большую симметрию, SU (3) x SU (2) x U (1), т. е. произведение симметрий отдельных сил. (Этот процесс можно сравнить со сборкой пазла. Если у нас есть три детали, которые не совсем точно прилегают друг к другу, мы всегда можем взять скотч и склеить их. Так и образуется Стандартная модель – путем склеивания трех отдельных мультиплетов вместе. Способ эстетически несовершенный, но по крайней мере благодаря скотчу три детали не распадаются.)

В идеале можно ожидать, что «теория всего» объединит все частицы в единственный мультиплет. Увы, в Стандартную модель входят три отдельных мультиплета, которые нельзя поворачивать относительно друг друга.

За пределами Стандартной модели

Сторонники Стандартной модели могут искренне утверждать, что она подходит для всех известных экспериментальных данных. Они могут справедливо отметить, что результатов опытов, которые противоречат Стандартной модели, не существует. Тем не менее даже самые ревностные защитники этой модели не верят, что она представляет собой окончательную теорию материи. Быть окончательной теорией она не может по ряду серьезных причин.

Во-первых, Стандартная модель не описывает гравитацию, поэтому неизбежно оказывается неполной. В результате попыток срастить теорию Эйнштейна со Стандартной моделью получались абсурдные ответы. К примеру, когда мы вычисляли вероятность отклонения электрона в поле тяготения, гибридная теория давала нам бесконечную вероятность, что не имеет смысла. Физики говорят, что квантовая гравитация неперенормируема,т. е. она не дает разумных, конечных чисел, описывающих простые физические процессы.

Во-вторых, и это, вероятно, важнее всего, Стандартная модель на редкость безобразна, поскольку она грубо соединяет три совершенно разных взаимодействия. Лично я считаю, что Стандартную модель можно сравнить со скрещиванием животных трех совершенно разных видов (например, мула, слона и кита). В сущности, модель настолько искусственна и уродлива, что ее немного стесняются даже создатели. Они первыми принесли извинения за недостатки модели и признали, что их теория никак не может считаться окончательной.

Ее безобразие становится очевидным, если составить списки характеристик кварков и лептонов. Для того чтобы получить представление о недостатках этой теории, перечислим различные частицы и силы, входящие в Стандартную модель:

1. 36 кварков шести «ароматов» и трех «цветов», а также их аналоги из антиматерии, характеризующие сильное взаимодействие.

2. Восемь полей Янга-Миллса для описания глюонов, которые связывают друг с другом кварки.

3. Четыре поля Янга-Миллса, характеризующие слабое и электромагнитное взаимодействие.

4. Шесть типов лептонов для описания слабого взаимодействия (в том числе электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им аналоги нейтрино).

5. Загадочная «частица Хиггса», необходимая для образования масс и констант, описывающих частицы.

6. По меньшей мере 19 произвольных постоянных, которые описывают массы частиц и силы различных взаимодействий. Эти 19 констант приходится вводить вручную, во всяком случае в теории они не заданы.

Хуже того, этот длинный список частиц можно разделить на три семейства кварков и лептонов, практически неотличимых друг от друга. По сути дела, эти три семейства частиц – точные копии, дающие тройной избыток количества якобы элементарных частиц (рис. 5.4). (Тревогу внушает мысль о том, что известных нам в настоящее время элементарных частиц гораздо больше, чем было открыто субатомных частиц в 1940-е гг. Невольно задаешься вопросом, насколько элементарны эти элементарные частицы в действительности.)

Рис. 5.4. Согласно Стандартной модели, первое поколение частиц состоит из верхнего и нижнего кварков (трех цветов, с ассоциирующимися с ними античастицами), электрона и нейтрино. Досадная особенность Стандартной модели заключается в том, что поколений таких частиц известно три, причем каждое поколение представляет собой почти точную копию предыдущего. С трудом верится, что природа способна на такую избыточность, как создание на фундаментальном уровне трех идентичных копий частиц.

Безобразие Стандартной модели можно противопоставить простоте уравнений Эйнштейна, в которых все выведено из первоначал. Для того чтобы понять эстетический контраст между Стандартной моделью и общей теорией относительности Эйнштейна, следует знать: когда физики говорят о «красоте» своих теорий, в действительности они подразумевают, что этим теориям присущи по меньшей мере два основных свойства:

1. Объединяющая симметрия.

2. Способность объяснять огромные объемы экспериментальных данных с помощью максимально экономичных математических выражений.

Стандартная модель не удовлетворяет ни одному из этих условий. Ее симметрия, как мы уже убедились, на самом деле образована путем сращения трех симметрий Меньших масштабов, по одной для каждой из трех сил. Кроме того, по форме эта теория громоздкая и нескладная. Ее никак нельзя назвать экономичной. К примеру, уравнения Эйнштейна, записанные в развернутой форме, в длину занимают всего лишь дюйм (2,5 см) и не достигают даже величины одной строки в этой книге. Одной строки этих уравнений достаточно, чтобы выйти за пределы ньютоновских законов и вывести искривление пространства, Большой взрыв и другие астрономически значимые явления. А для того чтобы записать в развернутом виде Стандартную модель, потребуется две трети этой страницы, вдобавок написанное будет выглядеть как мешанина замысловатых символов.

Ученые склонны считать, что природа предпочитает экономичность и всегда стремится избежать ненужной избыточности в физических, биологических и химических структурах. Что бы ни создавала природа – гигантских панд, молекулу протеина или черные дыры, – она действует бережливо. Или, как однажды отметил нобелевский лауреат Чжэньнин Янг, «по-видимому, природа пользуется преимуществами простых математических представлении законов симметрии. Если задуматься об элегантности и совершенстве относящихся к ним математических рассуждений и сопоставить их со сложными и масштабными физическими последствиями, невозможно не проникнуться чувством глубокого уважения к силе законов симметрии» [61]61
  Процитировано в: Хайнц Пейджелс «Идеальная симметрия: Поиски начала времен» (Heinz Pagels, Perfect Symmetry: The Search for the Beginning of Time, New York: Bantam, 1985), c. 177.


[Закрыть]. А теперь мы обнаружили вопиющее нарушение этих законов на самом фундаментальном уровне. Существование трех идентичных семейств, каждого со своим нетипичным набором частиц, – одна из особенностей Стандартной модели, которая вызывает наибольшее беспокойство и создает непростую проблему для физиков: неужели от Стандартной модели – теории, которая имела самый громкий успех в истории науки, – следует отказаться только потому, что ей недостает элегантности?

А нужна ли красота?

Однажды на концерте в Бостоне я обратил внимание на то, как поразила слушателей сила и экспрессия Девятой симфонии Бетховена. После концерта, когда в голове у меня еще звучали волнующие мелодии, я прошел мимо опустевшей оркестровой ямы и заметил, как слушатели застывают возле нее и с удивлением разглядывают партитуру, оставленную музыкантами.

Я задумался: неискушенному взгляду партитура даже самой экспрессивной музыкальной пьесы должна казаться беспорядочной мешаниной неразличимых закорючек, похожих скорее на непонятные каракули, чем на прекрасное произведение искусства. Но для опытного музыканта все эти такты, ключи, ноты, диезы и бемоли оживают и отзываются у него в голове. Музыкант способен слышать красоту гармоний и богатство звуков, просто просматривая партитуру. Значит, нотная запись музыки – нечто большее, чем сумма составляющих ее обозначений.

Точно так же определить поэтическое произведение как «набор слов, организованных согласно определенному принципу» – значило бы оказать ему плохую услугу. Это определение лишено не только выразительности, но и точности, так как не учитывает утонченную взаимосвязь между поэзией и эмоциями, которые она вызывает у читателя. Поэзия передает чувства и фантазии автора, и это несравненно больше, чем просто слова, напечатанные на бумаге. Несколько кратких слов японского трехстишия хайку, например, способны перенести читателя в новый мир ощущений и эмоций.

Подобно музыке или живописи, математические уравнения могут иметь естественное развитие и логику, вызывая порой настоящие страсти в душе ученого. Несмотря на то что эти уравнения непонятны непосвященным, для ученого каждое такое уравнение подобно одной из частей большой симфонии.

Простота. Элегантность. Эти свойства вдохновляли величайших художников на создание шедевров, и они же побуждают ученых искать законы природы. Подобно прекрасному полотну или запоминающемуся стихотворению, уравнения обладают собственной красотой и гармонией.

Физик Ричард Фейнман выразил эту мысль так:

Распознать истину можно по ее красоте и простоте. Если твоя догадка верна, ее справедливость очевидна, по крайней мере если у тебя есть хоть какой-то опыт, потому что обычно на основании малого делаются далекоидущие выводы… Несведущие люди, безумцы и им подобные могут высказывать простые догадки, но ошибочность этих догадок видна сразу, поэтому они не в счет. Студенты, которым недостает опыта, высказывают чрезвычайно сложные, запутанные предположения, которые на первый взгляд выглядят обоснованными, но я вижу, что это не так, потому что истина всегда оказывается проще, чем нам представляется [62]62
  Процитировано в: Коул «Ответные вибрации», с. 229.


[Закрыть].

Французский математик Анри Пуанкаре высказался еще откровеннее, когда писал: «Ученый исследует Природу не потому, что она полезна, а потому, что он в восторге от нее, а в восторге он по той причине, что она прекрасна. Не будь Природа прекрасной, она была бы недостойна изучения, а если бы Природу не стоило изучать, не стоило бы и жить». В каком-то смысле физические формулы подобны стихотворениям о природе. Они коротки, организованы по некоему принципу, и лучшие из них передают скрытую симметрию природы.

Вспомним, например, что поначалу уравнений Максвелла было восемь. «Красивыми» их не назовешь. Симметричностью они не обладают. В своей исходной форме они безобразны, тем не менее это хлеб с маслом для каждого ученого-физика или инженера, который зарабатывает на жизнь благодаря радарам, радио, микроволнам, лазерам или плазмам. Эти восемь уравнений – все равно что гражданский кодекс для адвоката или стетоскоп для врача. Но если переписать эти уравнения, приняв время за четвертое измерение, довольно громоздкий набор сократится до единственного тензорного уравнения. Вот что физики называют «красотой», ведь теперь выполняются оба условия. Увеличивая количество измерений, мы вскрываем истинную, четырехмерную симметрию теории и получаем возможность объяснить множество экспериментальных данных с помощью единственного уравнения.

Как мы уже не раз видели, добавление высшего измерения приводит к упрощению законов природы.

Одна из величайших загадок, с которыми столкнулась современная наука, – происхождение таких симметрий, особенно в субатомном мире. Когда наши мощные установки расщепляют ядро атома, высвобождая энергию, превышающую триллион электронвольт, мы видим, что фрагменты могут располагаться симметрично. Бесспорно, при достижении субатомного уровня происходит редкое и примечательное явление.

Однако наука предназначена не для того, чтобы восхищаться элегантностью законов природы, а чтобы объяснять их. Главная проблема физики субатомных частиц заключается в следующем: исторически сложилось так, что мы понятия не имеем, почемув наших лабораториях и на классных досках возникли эти симметрии.

Именно поэтому терпит фиаско Стандартная модель. Какой бы удачной ни была эта теория, физики всего мира убеждены, что ее должна сменить теория более высокого порядка. Стандартная модель проваливает оба «теста» на красоту. В ней нет единой симметричной группы, и она не дает практичного описания субатомного мира. Но что еще важнее, Стандартная модель не объясняет, откуда изначально берутся симметрии. Их просто принудительно соединили, без сколько-нибудь глубокого понимания их истоков.