Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности



страница19/34
Дата04.05.2018
Размер9.31 Mb.
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   34

12 Мир на струне

ТКАНЬ В СООТВЕТСТВИИ С ТЕОРИЕЙ СТРУН
Представьте вселенную, в которой чтобы понять что-либо, вам необходимо понять все. Вселенная, в которой чтобы сказать что-нибудь о том, почему планета вращается вокруг звезды, о том, почему бейсбольный мяч летит по определенной траектории, о том, как работает магнит или батарея, о том, как действует свет или гравитация, – вселенная, в которой, чтобы сказать что-нибудь о чем-нибудь, – вам было бы необходимо открыть самые фундаментальные законы и определить, как они действуют на тончайшие составляющие материи. К счастью, такая вселенная не является нашей вселенной.

Если бы это было, тяжело было бы представить, как наука вообще могла бы двигать любой прогресс. В течение столетий причина, по которой мы были в состоянии осуществлять движение вперед, была в том, что мы могли работать по частям; мы были в состоянии распутывать тайны шаг за шагом, с каждым новым открытием продвигаясь на йоту глубже, чем раньше. Ньютону не нужно было знать про атомы, чтобы сделать великий шаг в понимании движения и гравитации. Максвеллу не нужно было знать про электроны и другие заряженные частицы, чтобы разработать мощную теорию электромагнетизма. Эйнштейну не нужно было обращаться к изначальному воплощению пространства и времени, чтобы сформулировать теорию о том, как они искривляются с помощью гравитационных сил. Вместо этого, каждый из этих открывателей, точно так же, как многие другие, которые подвели основу под нашу современную концепцию космоса, действовали в рамках ограниченного контекста, который без смущения оставлял без ответа массу основополагающих вопросов. Каждое открытие было в состоянии внести свой собственный кусочек в головоломку, даже если никто не знал, – и мы все еще не знаем, – какая великая синтезированная картина заключает в себе все кусочки головоломки.

Тесно связанное с этим наблюдение заключается в том, что хотя сегодня наука резко отличается от науки даже пятьдесят лет назад, было бы неоправданным упрощением обобщать научный прогресс в терминах новых теорий, низвергнувших своих предшественниц. Более корректное описание заключается в том, что каждая новая теория усовершенствует свою предшественницу, обеспечивая более точную и более далеко простирающуюся схему. Ньютоновская теория гравитации была заменена ОТО Эйнштейна, но было бы наивным говорить, что ньютоновская теория не верна.

В области объектов, которые нигде не двигаются почти так же быстро, как свет, и нигде не производят гравитационных полей, почти таких же сильных, как у черных дыр, теория Ньютона фантастически точна. Это еще не говорит о том, что теория Эйнштейна является второстепенным вариантом ньютоновской; в ходе усовершенствования ньютоновского подхода к гравитации Эйнштейн выработал целую новую концептуальную схему, одну из тех, что радикально изменяет наши представления о пространстве и времени. Но сила ньютоновского открытия в рамках области, для которой оно предназначено (движение планет, типичные земные движения и так далее), неоспорима.

Мы представляем каждую новую теорию, как подводящую нас ближе к трудной цели достижения истины, но имеется ли конечная теория, – теория, которая не может быть дальше уточнена, поскольку она полностью раскрывает работу вселенной на самом глубоком возможном уровне, – на этот вопрос никто не может ответить. Даже при этих условиях картина, вырисовывающаяся в течение последних трехсот лет открытий, дает дразнящие свидетельства, что такая теория может быть разработана. Вообще говоря, каждый новый прорыв собирает широкий спектр физических явлений под несколькими теоретическими зонтиками. Открытия Ньютона показали, что силы, управляющие планетарным движением, являются теми же силами, которые управляют движением падающих объектов здесь на Земле. Открытия Максвелла показали, что электричество и магнетизм являются двумя сторонами одной монеты. Открытия Эйнштейна показали, что пространство и время так же неразделимы, как прикосновение и золото Мидаса. Открытия поколения физиков в начале двадцатого века установили, что мириады загадок микрофизики могут быть точно объяснены с использованием квантовой механики. Относительно недавние открытия Глэшоу, Салама и Вайнберга показали, что электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие являются двумя проявлениями единого взаимодействия – электрослабого взаимодействия, – и имеются даже пробные, косвенные доказательства, что сильное ядерное взаимодействие может быть присоединено к электрослабому в еще более великом синтезе.[1] Собирая все это вместе, мы видим картину, которая движется от сложности к простоте, картину, которая движется от разделения к единству. Направления объяснений кажутся сходящимися в мощную схему, которую еще предстоит открыть и которая объединит все силы природы и всю материю в рамках одной теории, способной описать все физические явления.

Альберт Эйнштейн, который более трех десятилетий пытался объединить электромагнетизм и ОТО в одну теорию, справедливо ассоциируется с началом современных поисков единой теории. Долгий период в течение этих десятилетий он был единственным исследователем такой единой теории, и его страстный, хотя и одинокий поход отделил его от главного потока физического сообщества. Однако, в течение последних двадцати лет произошло драматическое возрождение похода к единой теории; одинокая мечта Эйнштейна стала движущей силой для целого поколения физиков. Но из-за открытий, произошедших со времен Эйнштейна, сместился фокус. Даже если мы еще не имеем успешной теории, объединяющей сильное ядерное и электрослабое возаимодействие, все эти три вида сил (электромагнитные, слабые, сильные) описываются на одном едином языке, основанном на квантовой механике. Но ОТО, наша наиболее совершенная теория четвертой силы, стоит в стороне от этой схемы. ОТО является классической теорией: она не включает никакие вероятностные концепции квантовой теории. Главная цель современной программы унификации заключается, следовательно, в объединении ОТО и квантовой механики и в описании всех четырех сил в рамках одной и той же квантовомеханической схемы. Это оказалось одной из самых трудных проблем, с которыми когда-либо сталкивалась теоретическая физика.

Давайте посмотрим, почему.
Квантовые дрожания и пустое пространство

Если мне надо выделить одно наиболее памятное свойство квантовой механики, я выбираю принцип неопределенности. Вероятности и волновые функции определенно обеспечивают радикально новую схему, но именно принцип неопределенности заключает в себе разрыв с классической физикой. Вспомним, что в семнадцатом и восемнадцатом веках ученые были уверены, что полное описание физической реальности заключается в спецификации положений и скоростей каждой составляющей материи, заполняющей космос. А с появлением концепции поля в девятнадцатом веке и ее последующим применением к электромагнитным и гравитационным силам этот взгляд был дополнен включением величины каждого поля – то есть, напряженности каждого поля, – и темпа изменения величины каждого поля в каждом месте пространства. Но к 1930м принцип неопределенности демонтировал эту концепцию реальности, показав, что вы никогда не можете знать сразу положение и скорость частицы; вы никогда не можете знать сразу величину поля в данном месте пространства и то, как быстро величина поля изменяется. Квантовая неопределенность запрещает это.

Как мы обсуждали в последней главе, эта квантовая неопределенность обеспечивает, что микромир является турбулентной и дрожащей областью. Ранее мы обращали внимание на индуцированные неопределенностью квантовые дрожания поля инфлатона, но квантовая неопределенность применима ко всем полям. Электромагнитное поле, поля сильного и слабого ядерных взаимодействий и гравитационное поле все подвергаются бешеным квантовым скачкам-дрожаниям на микроскопическом масштабе. Фактически, эти дрожания полей существуют даже в пространстве, которое вы обычно воспринимаете как пустое, в пространстве, которое кажется не содержащим ни материи, ни полей. Это идея критической важности, но если вы не сталкивались с ней ранее, она, естественно, будет загадочной. Если регион пространства ничего не содержит – если это вакуум – то не означает ли это, что там нечему дрожать? Ну, мы уже изучили, что концепция пустоты тонкая. Просто подумайте об океане Хиггса, который, как утверждает современная теория, пронизывает пустое пространство. Квантовые дрожания я теперь обозначаю как служащие только для того, чтобы сделать понятие "ничто" еще более тонким. Вот, что я имею в виду.

В предквантовой (и пред-Хиггсовой) физике мы объявляли регион пространства полностью пустым, если он не содержал частиц и величина каждого поля была однородно нулевой.*


(*) "Для простоты изложения мы будем рассматривать только поля, которые достигают своей наименьшей энергии, когда их величина равна нулю. Обсуждение других полей – полей Хиггса – идентично, за исключением того, что поля флуктуируют вокруг ненулевой величины поля с минимальной энергией. Если вы хотите сказать, что регион пространства пуст, только если там не присутствует материя и все поля отсутствуют, а не только имеют величину нуль, смотрите секцию комментариев.[2]"
Теперь подумаем об этом классическом определении пустоты в свете квантового принципа неопределенности. Если поле имело и сохраняло исчезающе малую величину, мы будем знать его величину – нуль – а также темп изменения его величины – тоже нуль. Но в соответствии с принципом неопределенности невозможно, чтобы оба эти свойства были определены. Вместо этого, если поле имеет определенную величину в некоторый момент, нуль в нашем случае, принцип неопределенности говорит нам, что темп его изменения полностью случаен. А случайный темп изменения означает, что в следующие моменты величина поля будет хаотически дергаться вверх и вниз, даже в месте, которое мы обычно полагаем полностью пустым пространством. Так что интуитивное понятие пустоты как места, в котором все поля имеют и сохраняют нулевую величину, несовместимо с квантовой механикой. Величина поля может скакать вокруг величины нуль, но она не может быть однородно равной нулю во всей области более чем на мгновение.[3] На техническом языке физики говорят, что поля подвержены вакуумным флуктуациям.

Хаотичная природа флуктуаций вакуумного поля подразумевает, что во всех регионах, за исключением самых микроскопических, имеется так же много скачков "вверх", как и "вниз", а потому они усредняются к нулю, почти как мраморная поверхность выглядит совершенно гладкой для невооруженного глаза, даже если электронный микроскоп обнаруживает, что она зазубренная на микроскопических масштабах. Тем не менее, даже если мы не можем увидеть это непосредственно, более чем полстолетия назад реальность дрожаний квантового поля даже в пустом пространстве была окончательно установлена через простое, но глубокое открытие.

В 1948 датский физик Хендрик Казимир вычислил, как вакуумные флуктуации электромагнитного поля могут быть экспериментально обнаружены. Квантовая теория говорит, что дрожания электромагнитного поля в пустом пространстве будут иметь различную форму, как проиллюстрировано на Рис. 12.1а. Прозрение Казимира заключалось в осознании того, что, разместив две обычные металлические пластины в пустой в иных отношениях области, как на Рис. 12b, можно индуцировать тонкую модификацию этих вакуумных дрожаний поля. А именно, квантовые уравнения показывают, что в области между пластинами не будет нескольких флуктуаций (допустимы только те флуктуации электромагнитного поля, чьи величины исчезают в местоположении каждой пластины). Казимир проанализировал следствия такого ограничения в дрожаниях поля и нашел нечто экстраординарное.


c:\0\tkankosmosa_files\i3d83002e40 

(а) (b)


Рис 12.1 (а) Вакуумные флуктуации электромагнитного поля, (b) Вакуумные флуктуации между двумя металлическими пластинами и они же вне пластин.
 Почти как уменьшение количества воздуха в области создает дисбаланс давлений (например, на большой высоте вы можете почувствовать разрежение воздуха, оказывающее меньшее давление вне ваших ушных раковин), уменьшение квантовых дрожаний поля между пластинами также дает дисбаланс давления: квантовые дрожания поля между пластинами становятся чуть-чуть слабее, чем вне пластин, и этот дисбаланс двигает пластины друг к другу.

Подумайте о том, насколько это совершенно странно. Вы помещаете две пластины, обыкновенные, не заряженные металлические пластины в пустую область пространства, одну лицом к другой. Когда их масса мала, гравитационное притяжение между ними настолько мало, что может быть полностью проигнорировано. Поскольку нет ничего другого вокруг, вы действительно придете к заключению, что пластины останутся неподвижными. Но расчеты Казимира предсказали, что произойдет не это. Он пришел к заключению, что пластины будут мягко вынуждаться призрачной хваткой квантовых вакуумных флуктуаций к движению в направлении друг друга.

Когда Казимир впервые анонсировал этот теоретический результат, достаточно чувствительное оборудование для проверки его предсказания не существовало. Однако в течение около десяти лет другой датский физик Маркус Спаарней оказался в состоянии инициировать первые рудиментарные проверки сил Казимира, и с тех пор были проведены все более точные эксперименты. Например, в 1997 году Стив Ламоро, тогда работавший в Университете Вашингтона, подтвердил предсказания Казимира с точностью 5 процентов.[4] (Для пластин, размером грубо с игральные карты и расположенных на расстоянии одной десятитысячной сантиметра друг от друга, сила между ними оказалась примерно равной весу отдельной капли росы; это показывает, как сложно измерение силы Казимира). Теперь мало кто сомневается, что интуитивное понятие пустого пространства как статической, спокойной, бедной событиями арены совершенно не имеет оснований. Из-за квантовой неопределенности пустое пространство переполнено квантовой активностью.

Это заставило ученых большую часть двадцатого века полностью разрабатывать математику для описания такой квантовой активности как электромагнитных, так и сильных и слабых ядерных сил. Усилия даром не пропали: расчеты с использованием этой математической схемы согласуются с экспериментальными изысканиями с беспримерной точностью (например, расчеты влияния вакуумных флуктуаций на магнитные свойства электронов согласуются с экспериментальными результатами до одной части на миллиард).[5]

Однако, несмотря на все эти успехи, много десятилетий физики осознавали, что квантовые дрожания провоцируют внутри законов физики неудовлетворительность.
Дрожания и их неудовлетворительность[6]

До настоящего времени мы обсуждали только квантовые дрожания полей, которые существуют внутри пространства. А как насчет квантовых дрожаний самого пространства? Хотя это может звучать загадочно, на самом деле это просто другой пример дрожаний квантовых полей – пример, однако, содержащий особую трудность. В ОТО Эйнштейн установил, что гравитационная сила может быть описана как деформация и искривление ткани пространства; он показал, что гравитационные поля проявляются через форму геометрии пространства (или, более общо, пространства-времени). Теперь, точно подобно любому другому полю, гравитационное поле подвергается квантовым дрожаниям: принцип неопределенности подразумевает, что на мельчайших масштабах расстояний гравитационное поле флуктуирует вверх и вниз. А поскольку гравитационное поле есть синоним формы пространства, такие квантовые дрожания означают, что форма пространства хаотично флуктуирует. Еще раз, как и со всеми примерами квантовой неопределенности, на масштабах наших повседневных расстояний дрожания слишком малы, чтобы ощущаться непосредственно, и окружающая среда выглядит гладкой, безмятежной и предсказуемой. Но чем меньше масштаб наблюдения, тем больше неопределенность и тем больше становится буйство квантовых флуктуаций.



Это проиллюстрировано на Рис.12.2, на котором мы последовательно увеличиваем ткань пространства, чтобы обнаружить его структуру при все более мелких расстояниях. Самый большой уровень внизу на рисунке показывает квантовые возмущения пространства на привычных масштабах и, как вы можете видеть, тут нечего смотреть, – неровности ненаблюдаемо малы, так что пространство выглядит невозмутимым и плоским. Но когда мы проникаем дальше, последовательно увеличивая область, мы видим, что неровности пространства становятся все более неистовыми. На высшем уровне на рисунке, который показывает ткань пространства на масштабах, меньших планковской длины – миллионной миллиардной миллардной миллиардной доли (10–33) сантиметра – пространство становится бурлящим, кипящим котлом бешеных флуктуаций. Как проясняет иллюстрация, обычные понятия лево/право, назад/вперед и вверх/вниз становится так перепутанными ультрамикроскопической суетой, что они теряют всякий смысл. Даже обычное понятие до/после, которое мы иллюстрировали последовательными сечениями пространственно-временного батона, делается бессмысленным квантовыми флуктуациями на временных масштабах короче планковского времени, около десяти миллионных триллионных триллионных триллионных доли (10–43) секунды (которое грубо равно времени, необходимому свету, чтобы пролететь планковскую длину). Подобно размытой фотографии, дикие колебания на Рис. 12.2 делают невозможным однозначно отделить один временной срез от другого, когда интервал времени между ними становится короче планковского времени. Итог такой, что на масштабах короче, чем планковские расстояние и продолжительность, квантовая неопределенность делает ткань космоса настолько перекрученной и искаженной, что обычные концепции пространства и времени больше не применимы.
c:\0\tkankosmosa_files\ie90baca0dc

Рис 12.2 Последовательное увеличение пространства обнаруживает, что ниже планковской длины пространство становится неузнаваемо бурным вследствие квантовых дрожаний. (Здесь представлены воображаемые увеличительные стекла, каждое из которых увеличивает между 10 и 100 миллионами раз).
Хотя и экзотический в деталях, приблизительный урок, проиллюстрированный Рис. 12.2, суть один из тех, с которым мы уже знакомы: концепции и заключения, существенные на одном масштабе, могут быть не применимыми на всех масштабах. Это ключевой принцип в физике, и один из тех, с которыми мы постоянно встречаемся, хотя и в куда более прозаическом контексте. Возьмем стакан воды. Описание воды как гладкой, однородной жидкости и полезно, и применимо на повседневных масштабах, но это является приближением, которое разрушается, если мы изучаем воду с субмикроскопической точностью. На мелком масштабе гладкий образ уступает место полностью другой системе далеко разделенных молекул и атомов. Аналогично, Рис. 12.2 показывает, что концепция Эйнштейна гладких, мягко искривленных геометрических пространства и времени, хотя и сильна и точна для описания вселенной на больших масштабах, рушится, если мы анализируем вселенную на экстремально коротких пространственных и временных масштабах. Физики уверены, что, как и с водой, гладкое изображение пространства и времени является приближением, которое уступает место другой, более фундаментальной схеме, когда они рассматриваются на ультрамикроскопических масштабах. Что это за схема, – что составляет "молекулы" и "атомы" пространства и времени, – этот вопрос рассматривается в настоящее время с большой энергией. Он еще должен быть разрешен.

Даже при этих условиях, что вполне ясно из Рис. 12.2, на мельчайших масштабах гладкий характер пространства и времени, представляемый ОТО, вступает в борьбу с неистовым, дрожащим характером квантовой механики. Основной принцип ОТО Эйнштейна, что пространство и время образуют мягко искривленную геометрическую форму, спотыкается об основной принцип квантовой механики, принцип неопределенности, который подразумевает дикую, буйную, турбулентную окружающую среду на мельчайших масштабах. Ужасный конфликт между центральными идеями ОТО и квантовой механики сделал объединение двух теорий одной из самых трудных проблем, с которыми физики сталкивались в течение последних восьмидесяти лет.

Это имеет значение?

На практике несовместимость между ОТО и квантовой механикой возникла весьма специфическим образом. Если вы используете объединенные уравнения ОТО и квантовой механики, они почти всегда приводят к одному ответу: бесконечности. И в этом проблема. Это бессмыслица. Экспериментаторы никогда не измеряют бесконечное количество чего-либо. Часы никогда не вращаются до бесконечности. Линейки никогда не протягиваются до бесконечности. Калькуляторы никогда не регистрируют бесконечность. Почти всегда бесконечный ответ является бессмысленным. Все это говорит нам, что уравнения ОТО и квантовой механики при их соединении становятся ненормальными.

Отметим, что это совершенно не похоже на напряженность между СТО и квантовой механикой, которая возникала в нашем обсуждении квантовой нелокальности в Главе 4. Там мы нашли, что согласование принципов СТО (в особенности, симметрии между всеми наблюдателями, движущимися с постоянной скоростью) с поведением запутанных частиц требует более полного понимания проблемы квантовых измерений, чем до сих пор было достигнуто (смотрите секцию "Запутанность и СТО: противоположный взгляд" в Главе 4, стр 117–120). Но эта не решенная полностью проблема не приводит к математической несостоятельности или к уравнениям, которые дают бессмысленные ответы. Наоборот, объединенные уравнения СТО и квантовой механики используются, чтобы делать наиболее точно подтвержденные в истории науки предсказания. Тихое напряжение между СТО и квантовой механикой указывает на область, где требуются дальнейшие теоретические изыскания, но оно едва ли влияет на их объединенную предсказательную силу. Не так с взрывоопасным союзом между ОТО и квантовой механикой, в котором вся предсказательная сила потеряна.

Тем не менее, вы все еще можете спросить, имеет ли реальное значение несовместимость между ОТО и квантовой механикой. Безусловно, объединенные уравнения могут приводить к нонсенсу, но когда вообще вам реально может понадобиться использовать их вместе? Годы астрономических наблюдений показали, что ОТО описывает макромир звезд, галактик и даже целого расширяющегося космоса с впечатляющей точностью; десятилетия экспериментов подтвердили, что квантовая механика делает то же самое для микромира молекул, атомов и субатомных частиц. Поскольку каждая теория чудесно работает в своей собственной области, зачем беспокоиться об их объединении? Почему не удерживать их разделенными? Почему не использовать ОТО для вещей, которые большие и массивные, квантовую механику для вещей, которые мелкие и легкие, и прославлять впечатляющие достижения человечества в успешном понимании такого широкого диапазона физических явлений?

На самом деле, это как раз то, что большинство физиков и делали с первых десятилетий двадцатого века, и никто не отрицает, что это, несомненно, был плодотворный подход. Прогресс науки, сделанный в этой несоединенной системе, впечатляет. Тем не менее, есть несколько причин, почему антагонизм между ОТО и квантовой механикой должен быть сглажен. Таких причин две.

Первое, по-хорошему, тяжело поверить, что глубочайшее понимание вселенной заключается в неясном союзе между двумя мощными теоретическими схемами, которые взаимно несовместимы. Это ничто иное, как если бы вселенная оборудовалась линией на песке, разделяющей вещи, которые правильно описываются квантовой механикой, от вещей, которые правильно описываются ОТО. Разделение вселенной на две обособленные реальности кажется как искусственным, так и грубым. Для многих очевидно, что должна существовать более глубокая, объединенная истина, которая перекрывает расщелину между ОТО и квантовой механикой и которая может быть применена ко всему. Мы имеем одну вселенную и, следовательно, многие полностью уверены, что мы должны иметь одну теорию.

Второе, хотя большинство вещей являются или большими и тяжелыми, или маленькими и легкими, и, следовательно, в практическом смысле могут быть описаны с использованием ОТО или квантовой механики, это не верно для всех вещей. Черные дыры обеспечивают хороший пример. В соответствии с ОТО вся материя, составляющая черную дыру, сдавлена вместе в отдельной мельчайшей точке в центре черной дыры.[7] Это делает центр черной дыры как чудовищно массивным, так и немыслимо маленьким, а потому он попадает на обе стороны предлагаемого разделения: нам надо использовать ОТО, так как большая масса создает мощное гравитационное поле, и нам также надо использовать квантовую механику, так как вся масса стиснута в мельчайший размер. Но в комбинации уравнения разрушаются, так что никто не смог определить, что происходит прямо в центре черной дыры.

Это хороший пример, но если вы на самом деле скептик, вы можете еще поинтересоваться, является ли он чем-то, что должно заставлять кого угодно не спать ночью. Поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, пока мы туда не прыгнем, и, более того, если мы туда прыгнем, мы не сможем сообщить о наших наблюдениях назад во внешний мир, наше неполное понимание внутренней области черной дыры может не произвести на вас впечатления, как не особенно беспокоящее. Для физиков, однако, существование области, в которой известные законы физики отказывают, – не важно, насколько эзотерической, скрытой эта область может казаться, – поднимает вверх красные флаги. Если известные законы физики разрушаются при некоторых обстоятельствах, это ясный сигнал, что мы не достигли глубочайшего возможного понимания. После всего сказанного, вселенная работает, поскольку мы можем сказать, что вселенная не разрушается. Корректная теория вселенной должна, уж по меньшей мере, удовлетворять такому же стандарту.

Итак, это, конечно, кажется обоснованным. Но без дополнительных усилий полная нетерпимость конфликта между ОТО и квантовой механикой обнаруживается только через другой пример. Посмотрим назад на Рис. 10.6. Как вы можете видеть, мы проделали великий прогресс в соединении в одно целое непротиворечивой и предсказательной истории космической эволюции, но картина осталась неполной из-за размытого пятна вблизи зарождения вселенной. А внутри мутного тумана тех ранних моментов лежит прорыв в самые соблазнительные тайны: причину и фундаментальную природу пространства и времени. Так что нам мешает проникнуть в туман? Упрек возлагается прямо на конфликт между ОТО и квантовой механикой. Антагонизм между законами большого и законами малого является причиной размытого пятна, остающегося неясным, и мы все еще не имеем взгляда на то, что происходило в самом начале вселенной.

Чтобы понять, почему, представьте, как в Главе 10, прокрутку пленки с расширяющимся космосом в обратном направлении, обратившись назад по направлению к Большому взрыву. При прокрутке в обратном направлении все, что сейчас уносится в стороны, будет сходиться вместе, и когда мы прокручиваем пленку еще дальше назад, вселенная становится все меньше, горячее и плотнее. Когда мы приблизимся к самому моменту времени нуль, вся наблюдаемая вселенная сожмется до размеров Солнца, затем спрессуется до размеров Земли, затем сдавится до размеров шара для боулинга, горошины, песчинки – вселенная сокращается до все меньшего и меньшего по мере того, как пленка перематывается по направлению к начальным кадрам. Тогда в этом обратном фильме наступит момент, когда вся известная вселенная будет иметь размер, близкий к планковской длине, – миллионной миллиардной миллиардной миллиардной сантиметра, – при которой ОТО и квантовая механика находятся в непримиримой оппозиции. В этот момент вся масса и энергия, соответствующая рождению наблюдаемой вселенной содержится в кусочке, который меньше чем в сто миллиардов миллиардов раз размера отдельного атома.[8]

Таким образом, точно так же, как в случае центра черной дыры, ранняя вселенная попадает на обе стороны водораздела: гигантская плотность ранней вселенной требует использования ОТО. Мельчайшие размеры ранней вселенной требуют использования квантовой механики. Но еще раз, в такой комбинации законы отказываются работать. Проектор "зажевывает" космическую пленку, она воспламеняется и мы не можем получить доступ к ранним моментам вселенной. Вследствие конфликта между ОТО и квантовой механикой мы остаемся неосведомленными о том, что происходило в начале, и возвращаемся к изображению размытого пятна на Рис. 10.6.

Если мы когда-нибудь надеемся понять истоки вселенной – один из глубочайших вопросов во всей науке, – конфликт между ОТО и квантовой механикой должен быть разрешен. Мы должны урегулировать разницу между законами большого и законами малого и соединить их в отдельную гармоничную теорию.


Невероятная дорога к решению*
(*) "Остаток этой главы излагает открытие теории суперструн и обсуждает существенные идеи теории относительно унификации структуры пространства-времени. Читавшие Элегантную Вселенную (особенно Главы с 6 по 8) будут знакомы почти со всем материалом и могут чувствовать себя свободными пропустить эту главу и двигаться к следующей."
Как показали работы Ньютона и Эйнштейна, научные прорывы временами рождаются отдельными учеными, сомневающимися гениями, чисто и просто. Но это редкость. Намного более часто великие прорывы представляют коллективные усилия многих ученых, каждый из которых, основываясь на достижениях других, доводит их до завершения, чего ни один индивидуал не смог бы достичь в изоляции. Один ученый может внести идею, которая заставит коллег задуматься, что приведет к наблюдениям, что обнаружит неожиданную взаимосвязь, что инспирирует важное продвижение вперед, что запустит новый цикл открытия. Свободные знания, технические приспособления, гибкость мышления, открытость непредвиденных связей, погружение в свободный поток идей по всему миру, тяжелая работа и существенное везение являются критическими частями научного открытия. В последнее время вообще не было крупного прорыва, который бы лучше проиллюстрировал это, чем разработка теории суперструн.

Теория суперструн представляет собой подход, который, как уверены многие ученые, соединяет ОТО и квантовую механику. И, как мы увидим, есть основания надеяться даже на большее. Хотя все еще очень много работы предстоит, теория суперструн может успешно представлять собой полностью унифицированную теорию всех сил и всей материи, теорию, которая осуществляет мечту Эйнштейна, и даже больше – теорию, как верю я и многие другие, которая освещает начало пути, который однажды приведет нас к самым глубоким законам вселенной. Правда, однако, теория суперструн не замышлялась как оригинальный способ достичь этих благородных и долгосрочных целей. Напротив, история теории суперструн полна случайных открытий, фальш-стартов, упущенных возможностей и почти разрушенных карьер. Это также, в точном смысле, история открытия правильного решения для ошибочной проблемы.

В 1968 Габриэле Венециано, молодой стипендиат-исследователь после защиты, работая в ЦЕРНе, был одним из многих физиков, пытавшихся понять сильное ядерное взаимодействие через изучение результатов высокоэнергетических столкновений частиц, производимых в атомных ускорителях по всему миру. После меяцев анализа образцов и упорядочения данных Венециано осознал удивительную и неожиданную связь с малоизвестной областью математики. Он обнаружил, что формула, открытая две сотни лет назад знаменитым швейцарским математиком Леонардом Эйлером (бета-функция Эйлера), кажется, точно соответствует данным по сильным ядерным взаимодействиям. Хотя это не звучало уж очень необычно, – физики-теоретики все время имеют дело с загадочными формулами, – это был замечательный случай, когда многие мили телега прокатилась впереди лошади. Более часто, чем нет, физики сначала проявляют интуицию, строят воображаемую картину, ясно понимая физические принципы, лежащие в основе всего, что они изучают, и только затем ищут уравнения, необходимые, чтобы обосновать свою интуицию в строгой математике. Венециано, напротив, перепрыгнул прямо к уравнению; его великолепие заключалось в распознавании необычных картин в данных и установлении неожиданной связи с формулой, разработанной столетиями ранее из чисто математического интереса.

Но хотя Венециано имел формулу в руках, он не имел объяснения, почему она работает. Ему не хватало физической картины, почему бета-функция Эйлера может быть существенна для частиц, влияющих друг на друга через сильное ядерное взаимодействие. Через два года ситуация полностью изменилась. В 1970 статьи Леонарда Сасскайнда из Стэнфорда, Холгера Нильсена из Института Нильса Бора и Йоихиро Намбу из Университета Чикаго обнаружили физические обоснования открытия Венециано. Эти физики показали, что если сильное взаимодействие между двумя частицами происходит вследствие мельчайшей, экстремально тонкой, почти подобной резиновой ленте нити, которая соединяет частицы, тогда квантовые процессы, которые сосредоточенно обдумывали Венециано и другие, будут математически описываться с использованием формулы Эйлера. Маленькие эластичные нити были окрещены струнами и с этого момента, правильно поставив лошадь перед телегой, теория струн официально родилась.

Но придержите шампанское. Для вовлеченных в эти исследования было удовольствием понять физические первоистоки прозрения Венециано, поскольку они наводили на мысль, что физики находились на пути к разоблачению сильного ядерного взаимодействия. До тех пор открытие не приветствовалось всеобщим энтузиазмом; далеко не так. Очень далеко. Фактически, статья Сасскайнда была возвращена журналом, в который он ее послал, с комментарием, что работа почти не представляет интереса, эту оценку Сасскайнд вспоминал так: "Я был ошеломлен, я был выбит из моего кресла, я был погружен в депрессию, так что пошел домой и напился".[9] В конечном счете его статья и все другие работы, которые объявляли струнную концепцию, были опубликованы, но это произошло незадолго до того, как теория претерпела две еще более опустошительные неудачи. Более внимательное изучение более уточненных данных по сильному ядерному взаимодействию, собранных в течение ранних 1970х, показало, что струнное приближение не годится для точного описания новых результатов. Более того, новое предложение, названное квантовой хромодинамикой, которое имело крепкие корни в традиционных составляющих вроде частиц и полей, – а совсем не струн, – оказалось в состоянии убедительно описать все данные. Итак, около 1974 теория струн получила один-два нокаутирующих удара. Или так это казалось.

Джон Шварц был одним из самых первых струнных энтузиастов. Однажды он сказал мне, что на старте он имел хорошие ощущения, что теория глубока и важна. Шварц потратил много лет, анализируя различные математические аспекты; среди других вещей это привело к открытию теории суперструн – как мы увидим, важному уточнению исходного струнного плана. Но с восхождением квантовой хромодинамики и крахом струнной схемы для описания сильного взаимодействия оправдания для продолжения работы по теории струн начали рассеиваться. Тем не менее, имелось одно особое рассогласование между теорией струн и сильным ядерным взаимодействием, которое не давало покоя Шварцу, и он счел, что он все равно должен двигаться вперед. Квантовомеханические уравнения теории струн предсказали, что особая, весьма необычная частица должна была в изобилии рождаться при высокоэнергетических столкновениях, имеющих место в атомных распадах. Частица должна была иметь нулевую массу, как фотон, но струнная теория предсказывала, что она должна была иметь спин 2, что, грубо говоря, означает, что она вращается в два раза быстрее фотона. Никто из экспериментаторов никогда не находил такую частицу, так что она оказалась среди ложных предсказаний, сделанных теорией струн.

Шварц и его соратник Джоэл Шерк были оздачены этой отсутствующей частицей, пока они не сделали величественный скачок к совершенно другой проблеме. Хотя никто не смог объединить ОТО и квантовую механику, физики определили некоторые свойства, которые должны возникать в любом таком успешном союзе. И, как отмечено в Главе 9, одно из свойств, которые они нашли, заключалось в том, что точно так же, как электромагнитные силы микроскопически переносятся фотонами, гравитационные силы должны микроскопически переноситься другим классом частиц, гравитонами (самым элементарным, квантовым пучком гравитации). Хотя гравитоны еще предстоит найти экспериментально, все согласны с теоретическим анализом, что гравитоны должны иметь два свойства: они должны быть безмассовыми и иметь спин 2. Для Шварца и Шерка это был громкий удар в колокол, – это были в точности те же свойства неконтролируемой частицы, предсказанной теорией струн, – и это заставило их предпринять смелый шаг, один из тех, которые привели отверженную теорию струн к яркому успеху.

Они предположили, что теория струн не должна мыслиться как квантовомеханическая теория сильных ядерных взаимодействий. Они доказывали, что даже если теория была открыта в попытке понять сильные взаимодействия, на самом деле она является решением другой проблемы. На самом деле она является первой квантовомеханической теорией гравитационного взаимодействия. Они заявили, что безмассовая частица со спином 2, предсказанная теорией струн, была гравитоном, и что уравнения теории струн с необходимостью включают квантовомеханическое описание гравитации.

Шварц и Шерк опубликовали свои предположения в 1974 и ожидали бурной реакции от физического сообщества. Вместо этого их труд был проигнорирован. Ретроспективно не трудно понять, почему. Некоторым казалось, что концепция струн стала теорией в поиске приложения.

После того, как попытки использовать теорию струн для объяснения сильных ядерных взаимодействий провалились, казалось, что ее сторонники не смогли признать поражения и, вместо этого, из кожи вон лезли, определяя поиски уместности теории где-то в другом месте. Топлива в этот огонь убеждений добавилось, когда стало ясно, что Шварцу и Шерку понадобилось радикально изменить размер струн в своей теории, чтобы силы, переносимые кандидатом в гравитоны, стали привычной, известной силой гравитации. Поскольку гравитация экстремально слабая сила* и поскольку оказалось, что чем длиннее струна, тем сильнее переносимое взаимодействие, Шварц и Шерк нашли, что струны должны быть экстремально малы, чтобы переносить настолько незначительную силу, как гравитация; они должны быть порядка планковской длины, в сотню миллиардов миллиардов миллиардов раз меньше, чем сначала представлялось. Настолько малы, как отмечали сомневающиеся, криво усмехаясь, что нет оборудования, которое могло бы увидеть их, что означает, что теория не может быть проверена экспериментально.[10]


(*) "Вспомним, как отмечалось в Главе 9, даже слабый магнит может пересилить притяжение всей земной гравитации и притянуть вверх скрепку для бумаги. Численно это значит, что гравитационная сила составляет примерно 10–42 от величины электромагнитных сил."
Напротив, 1970е стали очевидцами одного успеха за другим у более обычных, не основанных на струнах теорий, формулируемых с точки зрения частиц или полей. Теоретики и экспериментаторы одинаково полностью направляли свои головы и руки в конкретные идеи этих теорий для исследования и предсказаний для проверки. Зачем обращаться к спекулятивной теории струн, когда имется так много возбуждающей работы внутри хорошо зарекомендовавшей себя на практике схемы? Во многом из-за такого настроения, хотя физики и знали на периферии своих мыслей, что проблема соединения гравитации и квантовой механики остается нерешенной с использованием обычных методов, это не была проблема, которая овладела вниманием. Почти каждый допускал, что это важная проблема и однажды к ней надо обратиться, но с богатством работы, все еще остающейся с негравитационными силами, проблема квантования гравитации отодвигалась для обжига лишь на заднюю конфорку. И, наконец, в середине поздних 1970х теория струн была далека от того, чтобы полностью работать. Обладание кандидатом на гравитон было успехом, но все еще требовало внимания большое число концептуальных и технических проблем. Казалось вполне правдоподобным, что теория не сможет преодолеть одну или больше из этих проблем, так что работа в теории струн означала заметный риск. В течение нескольких лет теория могла умереть.

Шварц остался непоколебимым. Он был уверен, что открытие в теории струн первого правдоподобного подхода к описанию гравитации на языке квантовой механики является крупным прорывом. Если никто не хотел слушать, прекрасно. Он будет нажимать на разработку теории, так что когда люди будут готовы уделить внимание, теория струн будет продвинута намного дальше. Его решение оказалось пророческим.

В конце 1970х – начале 1980х Шварц, объединвшись с Майклом Грином, тогда работавшим в Лондонском Колледже Королевы Марии, предпринял работу над некоторыми техническим препятствиями, сопровождавшими теорию струн. Первой среди них была проблема аномалий. Детали не существенны, но, грубо говоря, аномалия является фатальным квантовым эффектом, который влечет за собой гибель теории через намеки на то, что она нарушает некоторые священные принципы, вроде сохранения энергии. Чтобы быть жизнеспособной, теория должна быть свободной от всех аномалий. Первоначальные исследования обнаружили, что теория струн страдает от нашествия аномалий, что было одной из главных технических причин, по которым перестал проявляться энтузиазм. Аномалии сигнализировали, что хотя теория струн кажется обеспечивающей квантовую теорию гравитации, поскольку она содержит гравитоны, более пристальную проверку теория не выдерживает из-за своей собственной тонкой математической противоречивости.

Шварц обнаружил, однако, что ситуация не является совсем тупиковой. Имелся шанс – и он был немалый – что полный расчет покажет, что различные квантовые вклады в аномалии, беспокоящие торию струн, если их объединиь корректно, уничтожают друг друга. Вместе с Грином Шварц предпринял тяжелую работу по расчету этих аномалий и к лету 1984 был вознагражден двумя удачами в куче мусора. Одной дождливой ночью, во время поздней работы в Физическом Центре Аспена в Колорадо, они завершили одно из наиболее важных полевых вычислений – расчет, показывающий, что все потенциальные аномалии, способом, который кажется едва ли не сверхъестественным, были уничтожены друг другом. Они обнаружили, что теория струн свободна от аномалий и потому не допускает математических несовместимостей. Теория струн, как они убедительно продемонстрировали, оказалась квантовомеханически жизнеспособной.

На этот раз физики прислушались. Это была середина 1980х и климат в физике ощутимо изменился. Многие из существенных свойств трех негравитационных сил были проработаны таоретически и подтверждены экспериментально. Хотя важные детали оставались неразрешенными, – а некоторые все еще не разрешены, – сообщество было готово энергично взяться за следующую большую проблему: соединение ОТО и квантовой механики. Тогда из малоизвестного угла физики Грин и Шварц неожиданно вырвались на сцену с определенным, математически последовательным и эстетически привлекательным предложением о том, что надо делать. Едва ли не в течение ночи число исследователей, работавших в теории струн возросло с двух человек до тысяч. Первая струнная революция была на полном ходу.
Первая революция

Я поступил в аспирантуру в Оксфордском университете в конце 1984 и в течение нескольких месяцев коридоры гудели от разговоров о революции в физике. Поскольку Интернету еще предстояло получить широкое распространение, доминирующим каналом быстрого обмена информацией были слухи, и каждый день приносил слова о новых прорывах. Исследователи повсюду высказывали свое мнение, так что атмосфера была заряжена, в известном смысле, новым со времен первых дней квантовой механики, и шли серьезные разговоры, что конец теоретической физики находится в пределах достижимого.

Теория струн была новой почти для каждого, так что в эти ранние дни ее детали не были общеизвестны. Нам особенно повезло в Оксфорде: Майкл Грин в то время посетил его с лекциями по теории струн, так что многие из нас получили близкое знакомство с основными идеями теории и существенными утверждениями. Это были впечатляющие утверждения. В двух словах, вот, что говорила теория:

Возьмите любой кусок материи – блок льда, каменную глыбу, железную плиту – и представьте его разделенным пополам, затем один из кусков еще пополам и так далее; представьте материал, постоянно делящийся на все более мелкие куски. Примерно 2 500 лет назад древние греки сформулировали проблему определения тончайшей, нерассекаемой, неделимой составляющей, которая являлась бы конечным продуктом такой процедуры. В наше время мы узнали, что рано или поздно вы придете к атомам, но атомы не являются ответом на вопрос греков, поскольку они могут быть рассечены на более тонкие составляющие. Атомы могут быть расщеплены. Мы узнали, что они состоят из электронов, которые роятся вокруг центральных ядер, которые составлены из еще более мелких частиц – протонов и нейтронов. А в конце 1960х эксперименты на Стэнфордском Линейном Ускорителе открыли, что даже сами нейтроны и протоны построены из более фундаментальных составляющих: каждый протон и каждый нейтрон состоит из трех частиц, известных как кварки, как было отмечено в Главе 9 и как проиллюстрировано на Рис. 12.3а.

Обычная теория, поддерживаемая современнейшими экспериментами, изображала электроны и кварки как точки без какой-либо пространственной протяженности; с этой точки зрения, следовательно, они отмечают конец линии – последнюю куклу природной матрешки, найденную в микроскопическом строении материи. Именно здесь появляется теория струн.
c:\0\tkankosmosa_files\ic0cae24025 

(а) (b)


Рис 12.3 (а) Обычная теория основана на электронах и кварках как базовых составляющих материи, (b) Теория струн предполагает, что каждая частица на самом деле является вибрирующей струной.
 Теория струн спорит с обычной картиной, предполагая, что электроны и кварки не являются частицами с нулевой протяженностью. Вместо этого, обычная модель частицы-как-точки в соответствии с теорией струн является приближением более утонченного изображения, в котором каждая частица на самом деле является мельчайшей вибрирующей нитью энергии, названной струной, как вы можете видеть на Рис. 12.3b. 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 отдельного атомного ядра (10–33 сантиметра), они кажутся точками даже тогда, когда исследуются на наших самых совершенных атомных ускорителях.

Поскольку наше понимание теории струн далеко от полного, никто не знает с уверенностью, заканчивается ли здесь история, – полагая, что теория корректна, являются ли струны по-настоящему последней куклой в русской матрешке или они сами могут быть составлены из еще более тонких ингредиентов. Мы вернемся к этой проблеме, но пока мы следуем историческому развитию предмета и представим, что струны в самом деле показывают, где рулетка останавливается; мы представим, что струны являются наиболее элементарными кирпичиками во вселенной.


Теория струн и объединение

Такова теория струн вкратце, но чтобы передать мощь нового подхода, я должен описать немного более полно обычную физику частиц. За последние сто лет физики прокалывали, избивали и распыляли материю в поиске элементарных составляющих вселенной. На самом деле они нашли, что почти во всем, с чем кто-либо когда-либо сталкивался, фундаментальными ингредиентами являются электроны и кварки, напомним только, – более точно, как в Главе 9, электроны и два вида кварков, верхний (up) и нижний (down), которые отличаются массой и электрическим зарядом. Но эксперименты также обнаружили, что вселенная имеет другие, более экзотические семейства частиц, которые не появляются в обычной материи. В дополнение к up-кварку и down-кварку эксперименты идентифицировали четыре других семейства кварков (очарованные (charm) кварки, странные (strange) кварки, кварки дна (вottom) и кварки вершины (top)) и два других семейства частиц, которые очень сильно похожи на электроны, только тяжелее (мюоны и тау-частицы). Возможно, что эти частицы изобиловали сразу после Большого Взрыва, но сегодня они производятся только как недолговечные обломки от высокоэнергетических столкновений между более привычными семействами частиц. Наконец, экспериментаторы также открыли три семейства призрачных частиц, называемых нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино), которые могут проходить через триллионы миль свинца так же легко, как мы проходим через воздух. Эти частицы – электрон и два его более тяжелых родственника, шесть видов кварков и три вида нейтрино – составляют ответ сегодняшнего специалиста по физике частиц на вопрос древних греков о строении материи.[11]

Длинный список для видов частиц может быть организован в три "семьи" или "поколения" частиц, как показано в Таблице 12.1. Каждое поколение имеет два кварка, одно из нейтрино и одну из электроноподобных частиц; разница между соответствующими частицами в каждом поколении заключается в том, что их массы возрастают в каждом последующем поколении. Разделение на поколения определенно наводит на мысль о лежащей в основании системе, но вал частиц может легко закружить вашу голову (или, хуже того, сделать ваши глаза стеклянными). Однако держитесь крепко, поскольку одно из самых прекрасных свойств теории струн заключается в том, что она обеспечивает способ для приручения этой кажущейся сложности.

В соответствии с теорией струн имеется только один фундаментальный ингредиент – струна – и богатство семейств частиц просто отражает различные способы (моды) колебаний, которые струна может выполнять. Это прямо похоже на то, что происходит с более привычными струнами вроде скрипичных или виолончельных. Виолончельная струна может колебаться множеством различных способов, и мы слышим каждый способ как различные звуки. Струны в теории струн ведут себя аналогично: они также могут колебаться различными способами. Но вместо получения различных музыкальных тонов, различные способы колебаний в теории струн соответствуют различным видам частиц. Ключевое понимание заключается в том, что детальные способы колебаний, выполняемые струной, производят специфическую массу, специфические электрический заряд, специфический спин и так далее – то есть, специфический список свойств, который различает один вид частицы от другого.




Частица Масса Частица Масса Частица Масса

Поколение 1 Электрон 0,00054 Мюон 0,11 Тау 1,9

Поколение 2 Электроннное нейтрино < 10-9 Мюонное нейтрино < 10-4 Тау-нейтрино < 10-3

Поколение 3 Up-кварк 0,0047 Charm-кварк 1,6 Top-кварк 189 Down-кварк 0,0074 Strange-кварк 0,16 Bottom-кварк 5,2




Каталог: art -> theory -> Briyan Grin
art -> Вилена александровна развитие межкультурной компетенции студентов-лингвистов средствами
art -> Кодекс ткп 45 04-78-2007 (02250) установившейся практики
art -> Кодекс ткп 45 04-208-2010 (02250) установившейся практики
art -> Технический кодекс ткп 2006
art -> Сестринский процесс: пациент с нарушением целостности кожных покровов
art -> Технологии Raid – немного теории и практика использвания
art -> Диетическая добавка к пище
Briyan Grin -> Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   34


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница