Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."

Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 31 страниц)

Теперь нам придется вступить в мутное интеллектуальное болото, где, пробираясь сквозь топи абстракций, мы надеемся набрести на объединение сильного и электрослабого взаимодействий, и соответственно на объединение лептонов и адронов в единый зоопарк. И снова нашим гидом, видимо, должна быть симметрия. Мы можем подозревать, что хорошо усовершенствованная группа преобразований симметрии приведет нас к успешной демонстрации того, что сильное взаимодействие и электрослабое взаимодействие есть просто две различные стороны одной силы. Если вам нужна конкретная аналогия, отличная от вращающегося куба, демонстрирующего то квадратную, то шестиугольную форму, представьте себе более сложный многогранник, показывающий с одних точек зрения квадраты и шестиугольники, а с других восьмиугольники: все эти формы являются проявлениями одного объекта.

Теория этого объединения носит название ТВО, теории великого объединения. В тот момент, когда люди убедились в том, что они обнаружили более богатую группу симметрии, возникло несколько различных предложений. Эксперименты помогают осуществлять и оценивать выбор. Например, поскольку кварки и лептоны согнали из своих отдельных парков в единое стадо в общий район зоопарка, существует возможность, что кварк превратится в электрон, а протон поэтому распадется. Простейший выбор более крупной группы, называемой SU(5) и представляющей собой сочетание групп SU(3), SU(2) и U(1) для сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, соответственно предполагает, что время жизни протона имеет порядок 10 ²⁷-10 ³¹лет. Эксперименты, однако, показывают, что это время жизни не меньше чем 10 ³²лет. Это расхождение показывает, что простейший выбор более богатой группы неприемлем, и в настоящее время изучаются более сложные симметрии. Если эта программа приведет к успеху (а ученые, будучи оптимистами в отношении того, чем они занимаются, имеют мало сомнений на этот счет), то конечное время жизни протона будет иметь фундаментальные последствия для долговременного будущего Вселенной, как мы увидим в главе 8.

Наш фермионный зоопарк состоит из лептонов и адронов, которые, как теперь ясно, пасутся вместе. Имеется также зоопарк бозонов, населенный частицами-передатчиками сил, которые соединяют вместе фермионы, создавая протоны и людей, и в конечном счете дают возможность совокупностям фермионов высказывать свое мнение. Эти силы являются проявлениями единой силы. А не может ли быть, что существует даже более крупная, более сложная группа преобразований симметрии в абстрактном внутреннем пространстве некоторого вида – и еще более крупный, более сложный многогранник, – которая поворачивает некую целостность так, что одна ее сторона оказывается фермионом, а другая оказывается бозоном? Существует некоторое экспериментальное предположение, что такая группа суперсимметриидействительно существует, что каждая частица – электрон, мезон, нейтрино, кварк, калибровочный бозон, фотон – различные лики одной целостности. Конечно, тогда должно существовать и много нарушений симметрии, поскольку частицы имеют сильно различающиеся массы, но у периодической таблицы есть те же проблемы, и мы знаем, как можно обращаться с приобретением различных масс и позволить частицам Хиггса в различной степени склеиваться с безмассовыми частицами. Если суперсимметрия преуспеет в том, чтобы показать эквивалентность фермионов и бозонов, то силы и частицы станут внутренне неразличимыми, и все станет одной-единственной вещью. Симметрия экономна, а суперсимметрия суперэкономна. Однако в науке вера только гид, но не критерий.

Когда исследуют эту идею, появляется много признаков ее работоспособности. Однако эта теория предсказывает также существование партнеров для известных частиц. Эти суперсимметричные партнеры, включающие сэлектроны, скварки, снейтроны, фотино, W-ино, Z-ино и глюино, отличаются от их общеизвестных партнеров на половину спина. Так, сэлектрон, например, имеет нулевой спин, а фотино имеет спин 1/2. Проблема лишь в том, где они? Можно повторить обычные ответы: либо они не существуют (потому что Вселенная не суперсимметрична), либо они столь тяжелые, что ни один ускоритель не способен произвести их. Ответа не знает никто, но если вы имеете вкус к красоте, вы, вероятно, склонны поверить, что Вселенная прекрасна настолько, насколько это возможно, и поэтому суперсимметрична.

Имеется несколько еще не разрешенных вопросов, на которые нам следует бросить взгляд. В процессе чтения вы уже могли их заметить. Один из них; почему вещество преобладает над антивеществом? Другой: почему имеется три семейства фермионов? Третий: почему существует так много фундаментальных частиц? И четвертый: почему гравитация кажется такой ускользающей силой в нашем путешествии к объединению всех сил? Лежат ли ответы на все эти вопросы в симметрии Вселенной? Является ли Вселенная гораздо более прекрасной, чем мы сегодня подозреваем? Является ли она бесконечно прекрасной и абсолютно симметричной?

Да, она может быть суперсимметричной, но она определенно не является абсолютно симметричной, иначе доли вещества и антивещества в ней были бы равными. Имеются и другие указания на ее кособокость. Существует несколько очевидных, макроскопических отклонений от симметрии. Например, большинство людей являются правшами. Никто, на самом деле, не знает, почему это так: возможно, это как-то связано с небольшим смещением сердца вправо [26]26
  Преобладание правшей в человеческой популяции (что в гораздо меньшей степени развито у других животных) может иметь эволюционное происхождение в тенденции, присутствующей у матерей человеческих детенышей держать их с левой стороны и успокаивать звуком материнского сердцебиения. Такие матери могут более успешно манипулировать предметами свободной правой рукой, и быть поэтому более предпочтительными для естественного отбора. В попытке отделить давление современной культуры от врожденных тенденций проводились исследования средневековых скелетов. Конкурирующая теория утверждает, что праворукость возникла из необходимости дать место в мозгу для развития эволюционно благоприятной речевой функции.
  http://www3.ncbi.nlm.nih.gov/htbin-post/Omiffl/dispmim?139900.


[Закрыть], но не похоже, что решение данной проблемы может предложить какое-то глубокое проникновение в природу Вселенной. Немного глубже в нашей структуре расположены аминокислоты, которые, будучи сплетены вместе в витки и полоски, образуют крайне важные белки, управляющие процессами жизни (Глава 2). Молекулы аминокислот встречаются в двух формах, одна из которых является зеркальным отражением другой. И это факт жизни, что, по крайней мере на Земле, аминокислоты, которые встречаются в наших белках, имеют одинаковое направление закручивания (в соответствии с некоторым техническим критерием, они являются леворукими). Никто не знает, почему. Возможно, это чистая случайность: отдаленный общий предок всех форм жизни пользовался лишь леворукими аминокислотами, и все живые твари унаследовали эту левизну. Кое-кто, однако, умозаключил, что преобладающая леворукость аминокислот связана с космической кособокостью Вселенной, при которой именно леворукие аминокислоты более устойчивы, и поэтому имеют преимущество перед своими праворукими зеркальными отражениями. Этого в действительности никто не знает, но было бы определенно привлекательным, если бы эту цепочку асимметрий можно было бы проследить до чего-нибудь фундаментального. Это очень помогло бы в разрешении дискуссии о том, имеют ли белки организмов, предположительно существующих где-то еще во Вселенной, ту же самую асимметрию, что и организмы Земли.

Что мы имеем в виду, говоря о кособокости Вселенной? В абсолютно симметричной Вселенной события, наблюдаемые в зеркале, были бы неотличимы от своих оригиналов, и мы никогда не могли бы сказать, смотрим мы непосредственно на Вселенную или на ее отражение в зеркале. Техническим термином для этого идеального случая является сохранение четности. Оказалось, однако, что результаты некоторых экспериментов, выполненных в 1957 г., можно отличить от их зеркальных отображений, поэтому четность не сохраняется. Вселенная не совпадает со своим отражением, она пространственно скособочена.

Тот факт, что Вселенная пространственно кривобока, создает возможность того, что она перекошена и во времени. В симметричной относительно времени Вселенной законы природы для Вселенной, движущейся, назад во времени, будут такими же, как для Вселенной, движущейся вперед. В этом случае мы не смогли бы сказать, начала ли Вселенная свое существование в нулевой момент времени и движется вперед, или она начала существование в нулевой момент времени и движется во времени назад. Более специальным и более мелкомасштабным определением является следующее: столкновение двух частиц, дающее в результате новые частицы, эквивалентно обращенному процессу, в котором эти результирующие частицы сталкиваются и порождают исходные частицы. Техническим термином для этой симметрии является выражение Т-инвариантность. Эксперименты, выполненные в 1964 г., показали, однако, что в зоопарке частиц есть один маленький и тихий уголок [27]27
  Распад нейтральных К-мезонов, каонов.


[Закрыть], в котором направление времени имеет значение. Этот перекос тесно связан с асимметрией вещества и антивещества, возникшей в начальный момент истории Вселенной. Мы продолжим эту историю в главе 8.

Эксперименты, таким образом, показывают, что Вселенная перекошена в пространстве и во времени. Но этот перекос не является просто случайной асимметрией, поскольку перекос пространства связан с перекосом времени. Чтобы понять эту связь, мы должны знать, что существует третий тип кособокости, называемый зарядовой сопряженностью, в котором каждая частица заменяется своей античастицей. Мы можем ожидать, что Вселенная, в которой античастицы и частицы поменялись местами, будет неотличима от исходной версии, Но это не так. Слабое взаимодействие неинвариантно относительно зарядовой сопряженности, поэтому Вселенная, в которой вещество заменено на антивещество, будет вести себя не так, как ее прототип. (Эта разница дает нам шанс опознать область антиматерии до совершения туда полета, который закончился бы катастрофой.)

Несмотря на эти нарушения симметрии, оказывается, что Вселенная симметрична (насколько мы можем знать), если мы одновременноменяем частицы на античастицы (обозначим это преобразование буквой C), отражаем Вселенную в зеркале (обозначим это буквой P) и обращаем направление времени (что обозначается как T). То есть в соответствии с теоремой Вольфганга Паули, Вселенная CPT-инвариантна. Итак, Вселенная перекошена относительно отдельных преобразований, но имеет совершенную форму, если мы думаем в терминах комбинированных операций.

Важнейший вопрос, которого нам следует также коснуться, это конечная природа всех частиц, которые мы выкатили на сцену. В настоящее время в физике элементарных частиц огромные усилия вкладываются в теоретический проект, который сможет дать ответ, но такой, который никогда нельзя будет прямо проверить в эксперименте. Возвращаясь к началу предыдущей главы, заметим, что греки, делившие в своем воображении вещество и размышлявшие о том, как далеко они могут зайти по этому пути, молчаливо предполагали, что деление закончится на мельчайших сущностях, подобных точкам. Для них это были атомы; а мы представляем себе точками бесструктурные, как кажется, лептоны и кварки. Но предположим, что они не таковы. Предположим, что конечный предел деления является не точкой, а линией. Это начальный пункт теории струн [28]28
  Теорию струн называют также теорией суперструн, поскольку она включает аспекты упоминавшейся нами суперсимметрии, связывающей фермионы и бозоны.


[Закрыть], которая обещает пролить свет на многие из поднятых нами вопросов. Теория струн является расширением аргументации, связанной с симметрией, поскольку она, в дополнение к уже рассмотренным нами жестким геометрическим преобразованиям, включает в себя топологию пространства-времени, его протяженность и возможность того, что оно изрешечено дырами.

В теории струн мы считаем конечным строительным блоком вещества маленький кружок, подобный струне. Эта струна очень мала: радиус круга имеет порядок планковской длины (около 10 ^{− 35}м, глава 7). «Очень» в этом случае означает именно «очень». Если увеличить ядро до размера Земли, струна будет кругом с радиусом не намного больше, чем радиус первоначального ядра. Эта струна очень туго натянута: ее натяжение эквивалентно натяжению, которое возникло бы, если бы на нее подвесили груз в 10 ³⁹тонн, что эквивалентно триллиону Солнц. Речь идет о по-настоящему маленькой и тугой струне.

Тугая струна колеблется. Каждая из различных мод ее колебаний, согласно теории струн, соответствует фундаментальной частице. Итак, существует струна лишь одного вида, но различные моды ее колебаний соответствуют всем различным частицам, с которыми мы до сих пор встречались (рис. 6.15). Я не имею в виду, что это похоже на увеличение частоты колебаний путем нажатия различных ладов на гитаре: это требует во много раз больше энергии. Даже для того, чтобы возбудить первый обертон, потребовалось бы так много энергии, что она соответствовала бы частице с массой, неизмеримо большей, чем масса любой известной фундаментальной частицы – с массой небольшой бактерии. Но существуют колебания, называемые нулевыми колебаниямиструны. В соответствии с квантовой механикой, осциллятор никогда не может находиться в состоянии полного покоя, а всегда обладает по крайней мере малой остаточной энергией, энергией его нулевых колебаний. Просто представьте себе струну, пульсирующую спокойно, как сердце человека, и каждая мода ее пульсации соответствует определенной частице.

Рис. 6.15.Две моды колебаний струны: нулевые колебания разных мод соответствуют разным элементарным частицам.

Когда теория струн впервые была поставлена на обсуждение, она могла дать объяснение только бозонам и столкнулась со следующим затруднением: струна должна была располагаться в пространстве-времени с размерностью двадцать шесть. Это embarrasse de dimensions(затруднение с размерностями) было ослаблено, когда была взята на вооружение суперсимметрия, и теория была распространена на фермионы. При учете ограничений, накладываемых суперсимметрией, оказалось, что струна могла бы процветать в пространстве-времени всего десяти измерений, девять для пространства и одно для времени. Было разработано несколько способов организации этих размерностей, и на сегодняшний день представляется, что эти различные теории могут быть объединены в одну супертеорию в размерности, которой разрешается достигать одиннадцати. Примем это число и предположим, что в теории струн идет речь именно о струнах, колеблющихся в десятимерном пространстве и одномерном времени. Возникающая в настоящее время теория струн в одиннадцати измерениях с более изощренной версией одномерной струны, включающей двумерные мембраны, называется М-теорией. Люди, кажется, забыли, что стоит за буквой М: возможно, это и «мембрана», но это может быть также и «мать всех теорий».

В голову немедленно приходит вопрос: а где все эти размерности? Мы выросли в уверенности, что обитаем в четырехмерном мире (три измерения для пространства и одно для времени), тогда где же пропущенные семь измерений? Предполагается, что они свернуты. Или, скорее, им не удалось развернуться, когда формировалась Вселенная: первоначальное расширение Вселенной было столь быстрым (как мы увидим в главе 8), что семь пространственных измерений просто еще не проснулись до того момента, когда стало уже слишком поздно. Для того чтобы облегчить людям переправу через концептуальную пучину этих «уплотненных», свернутых измерений, часто используют аналогию воображаемого шланга, лежащего на лужайке. Издалека шланг выглядит как одномерная линия, но, приближаясь, мы видим, что он имеет ширину.

Чтобы вообразить одноуплотненное измерение, мы можем представить себе небольшой кружок – с отметкой на нем, обозначающей положение вдоль этого измерения – прикрепленный к каждой точке пространства (рис. 6.16). Чтобы вообразить столкновение в этом пространстве, мы больше не представляем себе сталкивающиеся точки: мы представляем себе резиновые тесемки, извиваясь, двигающиеся вдоль трубки и отскакивающие назад друг от друга.

Рис. 6.16.То, что кажется одномерной линией с двумя частицами на ней, похожими на точки, в действительности является трубкой с двумя кругообразными струнами. Дополнительная размерность свернута, и мы не осознаем, что она есть, до тех пор, пока не узнаем о более глубокой структуре реальности. Столкновение между двумя частицами на самом деле является столкновением между двумя струнами.

На самом деле, в каждой точке имеется семь свернутых таким образом измерений с как-то надетыми на них струнами, подобно резиновым тесемкам, надетым на трубку. Считается, что уплотненные размерности принимают в каждой точке особую форму. Такие формы называются пространствами Калаби-Яу, по именам двух математиков, Эудженио Калаби и Шинтана Яу, которые их изучали. Физики всегда бывают благодарны математикам, которые, в своей восхитительно умозрительной манере, так часто изучают бесполезные с виду абстрактные понятия для того только, чтобы позднее обнаружить, что они нечаянно приготовили орудие, в точности необходимое, чтобы справиться с новыми проблемами физики.

С точки зрения платоников (см. главу 10), математика уже где-то существует, ожидая, когда ее откроют, так что Калаби и Яу, возможно, скорее выкапывали предсуществующее, чем просто нечто создавали, как им, вероятно, казалось. Рисунок 6.17 демонстрирует одно из таких пространств. Формы, подобные этим – но в семи измерениях, – являются шлангами теории струн, поскольку струны вьются вокруг них и через их отверстия.

Рис. 6.17.Пространство Калаби-Яу. В отличие от линии в пространстве, изображенной на рис.  6.16, являющейся простой трубкой, каждая точка линии на самом деле может быть многомерным пространством. Сечение одного из них показано здесь. Представьте себе структуру, подобную этой (но большей размерности), скрепленную с каждой точкой пространства.

Есть впечатление, что М-теория подходит к ответу на один из главных вопросов, почему существуют три семейства частиц? Ответ, кажется, лежит в симметрии. Однако на этот раз симметрия является симметрией трубок Калаби-Яу и связана с размерностью отверстий в этих пространствах, отверстий, сквозь которые продеваются струны. Эта симметрия является гораздо более изощренной по сравнению с теми, с которыми мы сталкивались до сих пор. Если пространство Калаби-Яу преобразовать определенным образом, то оказывается, что число дыр четной размерности в новом пространстве равно числу дыр нечетной размерности в первоначальном пространстве. Число семейств определяется числом продетых струн и, следовательно, числом отверстий. В этом содержится намек – на сегодняшний день не более чем намек – на то, что число семейств частиц внутренне связано со способом, которым свернуто пространство-время, и число три возникает, как возможное указание на этот способ.

Другой большой вопрос: почему развернулись только три пространственных измерения, создав для нас наше трехмерное пространство. Теория струн даже позволяет предположить, каким должен быть ответ… но это предмет космологии и главы 8.

Теория струн и ее продвинутый вариант, М-теория, обладают удивительной мощью. Но она может не быть научной. Некоторое время назад я предупреждал, что готовлю ваше сознание к той возможности, что науке придется изменить свой критерий приемлемости. Это было связано с кварками: кварки не были обнаружены и, возможно, не могут быть обнаружены, однако мы все больше уверяемся в их существовании, поскольку из него вытекает столь много проверяемых фактов. Это верификация посредством следствия скорее, чем верификация посредством эксперимента; верификация, основанная на слухах, скорее, чем верификация, основанная на прямом опыте. Возможно, настает время, когда черта может оказаться перейденной, но это тот Рубикон науки, который следует переходить с величайшей осторожностью.

От М-теории, апофеоза соображений симметрии, лежащих в сердцевине данной главы, мы сделаем следующий шаг по этому рискованному пути. Для М-теории нет никакой экспериментальной мотивации, это в высшей мере красивая идея, с предложениями о том, как можно разрешить глубокие вопросы, но она не может сделать ни одного численного предсказания. Она предлагает методы расчетов для обширных проблем, таких как число семейств частиц, но, поскольку существуют десятки тысяч пространств Калаби-Яу, имеется в виду скорее жульническое «послесказание», чем предсказание, сообщающее о будущем. Для прямойэкспериментальной проверки теории предполагается, что потребуется аппаратура галактических или даже космических масштабов, которая, по-видимому, всегда будет находиться за пределами наших технологических возможностей. Непрямые объяснения, предлагаемые теорией, в высшей степени интересны, а область ее охвата вызывает-священный трепет. Например, М-теория предсказывает существование безмассового бозона со спином 2, то есть гравитона. Гравитация попадает, таким образом, в круг ее действия, и мы можем с необходимыми предосторожностями поверить, что с помощью этой теории последняя и самая трудноуловимая сила может быть объединена с другими силами. Ученые, работающие над М-теорией, прямо жаждут, чтобы это оказалось правдой, ведь это так прекрасно! Но я говорил прежде, и должен подчеркнуть снова, что согревающее удовлетворение, даваемое верой, недостаточно для науки.