мичио каку. Мичио Каку. Параллельные миры
 Скачать 0.53 Mb.
|
|
Почему струны? Хотя все предыдущие попытки построить единую теорию поля с треском провалились, струнная теория до сих пор выдержала все испытания. В сущности, ей нет равных. Существуют две причины, по которым струнная теория преуспела там, где все остальные теории потерпели поражение. Во-первых, будучи основанной на протяженном предмете (струне), струнная теория избегает многих отклонений, связанных с точечными частицами. Как заметил Ньютон, гравитационное взаимодействие, окружающее точечную частицу, при приближении к ней становится бесконечным. (В знаменитом законе обратных квадратов Ньютона гравитационное взаимодействие увеличивается пропорционально зависимости 1/г, так что оно стремится к бесконечности, когда мы приближаемся к точечной частице; то есть когда г стремится к нулю, гравитационное взаимодействие возрастает и стремится к 1/0, что представляет собой бесконечность.) Даже в квантовой теории эта сила остается бесконечной, если мы приблизимся к квантовой точечной частице. За многие десятилетия Фейнман и другие ученые создали ряд хитрых правил, с помощью которых эти и многие другие противоречия можно было замести под ковер. Но для того, чтобы исключить все бесконечности в квантовой теории гравитации, недостаточно даже мешка ухищрений, собранного Фейнманом. Проблема в том, что точечные частицы бесконечно малы, а это означает, что их силы и энергии потенциально бесконечны. Но при внимательном рассмотрении струнной теории мы увидим, что есть два способа, при помощи которых мы можем избавиться от этих противоречий. Первый способ исходит из топологии струн, а второй из-за своей симметрии называется суперсимметрией. Топология струнной теории носит совершенно другой характер, чем топология точечных частиц, а отсюда различны и возникающие противоречия. (Грубо говоря, поскольку струна обладает конечной длиной, это означает, что силы не стремятся к бесконечности при приближении к струне. Рядом со струной силы возрастают пропорционально зависимости 1 /L, где L — это длина струны, соизмеримая с длинной Планка, порядка 10" см. Эта длина L позволяет отсечь все противоречия.) Поскольку струна не является точечной частицей, обладая определенным размером, можно показать, что противоречия «размазаны» вдоль всей струны, и отсюда все физические величины становятся конечными. Хотя интуитивно кажется совершенно очевидным, что все противоречия струнной теории «размазаны» и потому конечны, точное математическое выражение этого факта довольно сложно и представлено «эллиптической модулярной функцией», одной из самых странных функций математики. Ее история настолько захватывающа, что ей даже довелось играть ключевую роль в одном из голливудских фильмов. «Умница Уилл Хантинг» — это история о неотесанном пареньке из рабочей семьи с окраин Кембриджа (его играл Мэтт Дэймон), который демонстрировал потрясающие способности к математике. В сущности, фильм «Умница Уилл Хантинг» основан на жизни Сринивазы Рамануджана, величайшего математического гения двадцатого столетия. Он вырос в бедности и изоляции от основных научных достижений возле Мадраса в Индии на рубеже ХГХ и XX веков. Поскольку юноша жил в условиях оторванности от научного мира, ему пришлось до многого доходить самому, основываясь на европейской математике ХГХ века. Его карьера была подобна взрыву сверхновой, мимолетно осветившей небеса его математической гениальностью. Его смерть была трагична: он умер от туберкулеза в 1920 году в возрасте 37 лет. Подобно Мэтту Дэймону из фильма «Умница Уилл Хантинг», Рамануджан грезил математическими уравнениями, в данном случае эллиптической модулярной функцией: написанная для двадцати четырех измерений, она обладает причудливыми, но красивыми математическими свойствами. Математики и по сей день пытаются расшифровать «утерянные записи Рамануджана», обнаруженные после его смерти. Оглядываясь на работу Рамануджана, мы видим, что ее можно обобщить и свести к восьми измерениям, которые напрямую применимы к струнной теории. Физики добавляют еще два измерения для построения физической теории. (Например, создание поляризованных солнцезащитных очков основано на том факте, что свет обладает двумя физическими поляризациями: он может вибрировать влево-вправо или вверх-вниз. Но математическая формулировка света в уравнениях Максвелла представлена четырьмя компонентами. Две из этих четырех вибраций, в сущности, лишние.) Если мы добавим еще два измерения к функциям Рамануджана, то «волшебными числами» математики становятся 10 и 26, которые являются «волшебными числами» и в струнной теории. Таким образом выходит, что в каком-то смысле Рамануджан занимался струнной теорией еще до Первой мировой войны! Сказочные свойства этих эллиптических модулярных функций объясняют, почему теория должна существовать в десяти измерениях. Только в таком количестве измерений будто по волшебству исчезает большая часть противоречий, наводняющих все остальные теории. Но сама по себе топология струн не обладает достаточной «властью», чтобы исключить все эти противоречия. Остальные противоречия струнной теории устраняются при помощи второй ее характеристики — суперсимметрии. Суперсимметрия В струне заключены некоторые величайшие симметрии, известные науке. Обсуждая инфляционное расширение Вселенной и Стандартную модель в главе 4, мы видели, что симметрия предоставляет нам прекрасный способ организации субатомных частиц в приятные и изящные модели. Три типа кварков могут быть организованы согласно симметрии SU(3), которая позволяет кваркам меняться между собой местами. В теории ТВО считается, что пять типов кварков и лептонов могли бы быть организованы согласно симметрии SU(5). В струнной теории благодаря этим симметриям уходят оставшиеся противоречия и аномалии. Поскольку симметрии представляют собой одно из наиболее прекрасных и мощных средств, имеющихся в нашем распоряжении, то вполне можно было бы ожидать, что теория Вселенной должна обладать наиболее изящной и мощной симметрией, какая только известна науке. Логичной была бы симметрия, которая позволила бы менять местами не только кварки, но и все частицы, которые можно встретить в природе. Это значит, что все уравнения должны оставаться неизменными, если мы изменим положение всех частиц относительно друг друга. Такой подход в точности описывает симметрия суперструны, называемая суперсимметрией.[7 - В конце 1960-х, когда физики впервые занялись поисками симметрии, которая включала бы в себя все природные частицы, гравитацию в эти поиски преднамеренно не включили. Объясняется это тем, что существует два типа симметрии. Одни относятся к физике частиц — они позволяют менять частицы местами между собой. Но существует также и другой тип симметрии, который превращает пространство во время, и эти пространственно-временные симметрии связываются с гравитацией. Теория гравитации основана не на симметриях меняющихся местами точечных частиц, а на симметриях вращений в четырех измерениях: группа Лоренца в четырех измерениях 0(3,1).] Это единственный вид симметрии, который позволяет менять местами все известные физикам субатомные частицы. Такая симметрия является идеальным претендентом на место симметрии, которая организует все частицы Вселенной в единое, изящное целое. Если рассматривать все взаимодействия и частицы Вселенной, то мы увидим, что, в зависимости от спина, все они делятся на две категории — «фермионы» и «бозоны». Они ведут себя как волчки, которые могут вращаться с различными скоростями. К примеру, спин фотона, частицы, являющейся носителем электромагнитного взаимодействия, равен единице. Гравитон, частица гравитации, имеет спин, равный двум. Все частицы, обладающие спином, выражающимся целым числом, называют бозонами. Подобным образом, частицы вещества описываются при помощи субатомных частиц, спин которых выражается полуцелыми значениями — 1/2, 3/2, 5/2 и так далее. (Частицы с полуцелыми значениями спина называют фермионами. К ним относятся электрон, нейтрино и кварки.) Таким образом, супер симметрия изящно выражает дуализм, возникающий между бозонами и фермионами, между взаимодействиями и веществом. В теории, основанной на суперсимметрии, у каждой частицы есть напарник: каждый фермион находится в паре с бозоном. Хотя мы никогда не наблюдали этих суперсимметричных партнеров в природе, физики окрестили партнера электрона «сэлектроном», который обладает спином, равным нулю. (Физики добавляют «с» для описания суперпартнера какой-либо частицы.) Слабые взаимодействия включают в себя частицы, называемые лептонами: их суперпартнеров называют слептонами. Подобным образом и у кварка может быть партнер с нулевым спином, который называется скварком. В целом, партнеры всех известных частиц (кварков, лептонов, гравитонов, фотонов и так далее) называются счастицами, или суперчастицами. Эти счастицы нам еще только предстоит обнаружить при помощи ускорителей частиц (возможно, наше оборудование еще не достаточно мощное, чтобы мы могли получить эти частицы). Но поскольку все субатомные частицы являются либо фермионами, либо бозонами, то в теории суперсимметрии содержится потенциал объединения всех известных субатомных частиц одной простой симметрией. Теперь у нас есть достаточно обширная симметрия, которая включит в себя целую Вселенную. Представьте себе снежинку. Пусть каждый из шести ее кончиков представляет субатомную частицу, при этом бозоны расположены через один и за каждым бозоном следует фермион. Красота этой «суперснежинки» состоит в том, что при вращении она остается неизменной. Таким образом, эта суперснежинка объединяет все частицы и их счастицы. Поэтому, если мы попытаемся построить гипотетическую единую теорию поля, в которой есть лишь шесть частиц, то вполне естественно, что лучшим претендентом на эту роль явится супер снежинка. Суперсимметрия помогает устранить все оставшиеся бесконечности, которые для других теорий оказывались роковыми. Ранее мы уже упоминали о том, что большая часть отклонений устраняется благодаря топологии струны — то есть, поскольку струна обладает конечной длиной, силы не стремятся к бесконечности при приближении к самой струне. При рассмотрении оставшихся отклонений мы видим, что они делятся на два типа, исходя из взаимодействий бозонов и фермионов. Однако два типа действий, производимых этими частицами, всегда имеют противоположный знак, а потому действие фермиона всегда компенсируется действием бозона! Иными словами, поскольку действия бозона и фермиона всегда имеют противоположный знак, то оставшиеся в теории противоречия взаимоустраня-юхся. Таким образом, суперсимметрия — это не просто витринное крашение. Это не только симметрия, которая дарит эстетическое удовольствие, — это неотъемлемый элемент для устранении отклонений в струнной теории. Вспомним аналогию конструирования гладкой ракеты, в которой вибрации могут возрасти настолько, что в конечном счете у нее оторвет крылья. Одним из решений этой проблемы является применение силы симметрии для корректировки конструкции крыльев — таким образом, чтобы вибрации, возникающие в одном крыле, компенсировали вибрации в другом. Когда одно крыло вибрирует по часовой стрелке, второе крыло должно вибрировать против часовой стрелки, что уравновешивает вибрацию первого крыла. Таким образом, симметрия ракеты — казалось бы, всего лишь искусственный художественный элемент — имеет ключевое значение в устранении и балансировке нагрузок на крылья ракеты. Подобным образом и суперсимметрия устраняет отклонения благодаря тому, что бозонная и фермионная части полностью компенсируют действие друг друга. (Суперсимметрия также решает ряд сложных технических проблем, фатальных для ТВО. Для устранения математических противоречий в ТВО необходима суперсимметрия.) Хотя суперсимметрия несет в себе очень мощную идею, в настоящее время не существует никаких экспериментальных доказательств ее истинности. Это может объясняться тем, что суперпартнеры известных нам электронов и протонов могут попросту обладать слишком большой массой, чтобы мы могли получить их на современных ускорителях частиц. Однако существует очень даже привлекательное доказательство существования суперсимметрии. Мы знаем, что три квантовых взаимодействия различны по силе. В сущности, при малых энергиях сильное взаимодействие в 30 раз сильнее слабого взаимодействия и в сотню раз сильнее электромагнетизма. Однако так было не всегда. Мы предполагаем, что в момент Большого Взрыва все три взаимодействия были равны по силе. Возвращаясь назад во времени, физики могут вычислить силы трех взаимодействий в начале времен. Анализируя Стандартную модель, физики обнаружили, что силы трех взаимодействий, видимо, стремились к равенству в момент Большого Взрыва. Но они не в точности равняются друг другу. Зато когда мы добавляем суперсимметрию, то все три взаимодействия в точности совпадают друг с другом по силе, а это именно то, что предполагается в единой теории поля. И хотя этот факт не является прямым доказательством в пользу суперсимметрии, он все же показывает, что суперсимметрия, по крайней мере, вписывается в рамки известной физики. Силы слабого, сильного и электромагнитного взаимодействия не являются эквивалентными по силе в современном нам мире. Однако при энергиях Большого Взрыва силы этих взаимодействий должны полностью совпадать. Это совпадение имеет место при применении теории суперсимметрии. Таким образом, суперсимметрия может оказаться ключевым элементом для любой единой теории поля. Вывод Стандартной модели Хотя в суперструнах в принципе не существует настраиваемых параметров, струнная теория может предложить решения, удивительно близкие к Стандартной модели с ее пестрым собранием причудливых субатомных частиц и девятнадцатью «гуляющими» параметрами (такими, как массы частиц и их силы взаимодействия). Кроме того, в Стандартной модели существуют три идентичные (и лишние) копии всех кварков и лептонов, что кажется совершенно бесполезным. Ксчастью, струнная теория может без напряжения вывести многие качественные характеристики Стандартной модели. В 1984 году Филип Канделас из Техасского университета, Гари Хоровиц и Эндрю Стромингер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а также Эдвард Виттен показали, что если свернуть шесть из десяти измерений струнной теории и при этом сохранить суперсимметрию в оставшихся четырех измерениях, то крошечный шестимерный мир можно описать при помощи того, что математики называют многообразием Калаби-Яу. Взяв несколько примеров из пространств Калаби-Яу, они показали, что симметрию струны можно свести к теории, которая удивительно близка к Стандартной модели. Таким образом, струнная теория дает нам простой ответ на то, почему в Стандартной модели существуют три излишних поколения. В струнной теории количество поколений или излишеств в кварковой модели связано с количеством «отверстий», которые мы обнаруживаем в многообразии Калаби-Яу. (Например, возьмем пончик, велосипедную камеру и кофейную чашку — все они являются поверхностями с одним отверстием. В оправе для очков два отверстия. В пространствах Калаби-Яу может существовать произвольное количество отверстий.) Таким образом, просто выбрав многообразие Калаби-Яу, в котором есть определенное количество отверстий, мы можем построить Стандартную модель с различными поколениями лишних кварков. (Поскольку мы никогда не видим пространства Калаби-Яу из-за того, что оно очень маленькое, мы также никогда не видим и того факта, что это пространство, подобно пончику, пронизано отверстиями.) В течение многих лет группы физиков пытались каталогизировать все возможные пространства Калаби-Яу, осознавая тот факт, что топология этого шестимерного пространства определяет кварки и лептоны нашей четырехмерной Вселенной. М-теория Всеобщее увлечение струнной теорией, имевшее место в 1984 году, не могло продолжаться вечно. К середине 1990-х годов триумфальное шествие теории суперструн начало сбавлять темп. Легкие проблемы, которые решала эта теория, были уже все выбраны, и остались только сложные. Одной из таких проблем было открытие миллиардов решений струнных уравнений. При компактификации, или свертывании пространства-времени различным образом, струнные решения можно было записывать в любом измерении, а не только в четырех. Каждое из миллиардов струнных решений соответствовало математически непротиворечивой Вселенной. Физики внезапно начали тонуть в струнных решениях. Что примечательно, многие из этих решений выглядели очень похожими на нашу Вселенную. Выбрав подходящее пространство Калаби-Яу, можно было относительно несложно воспроизвести многие из существенных черт Стандартной модели с ее причудливым скоплением кварков и лептонов, даже с ее любопытным набором поколений. Однако чрезвычайно сложной задачей (неразрешенной и по сей день) было обнаружить первоначальную Стандартную модель с определенными значениями ее девятнадцати параметров и тремя излишними поколениями. (Ошеломляющее количество струнных решений, вообще-то, приветствовалось физиками, которые поддерживали идею Мультивселенной, поскольку каждое решение представляет полностью непротиворечивую параллельную вселенную. Однако удручал тот факт, что физики испытывали сложности в обнаружении именно нашей Вселенной в этих джунглях вселенных.) Одной из причин сложности этого предприятия является то, что в конечном счете суперсимметрию все же нужно разрушить, поскольку в нашем мире низких энергий мы этой симметрии не наблюдаем. К примеру, мы не видим в природе сэлектрона — суперпартнера электрона. Если оставить супер симметрию нетронутой, то масса каждой частицы должна быть эквивалентна массе ее суперчастицы. Физики считают, что суперсимметрия была нарушена, и результатом этого является то, что массы суперчастиц огромны и, таким образом, суперчастицы находятся вне пределов досягаемости современных ускорителей частиц. Но в настоящее время никто еще не предложил правдоподобного механизма для нарушения суперсимметрии. Дэвид Гросс из Института теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре заметил, что существуют миллионы и миллионы решений струнной теории в трех пространственных измерениях, что несколько смущает, поскольку нет способа, с помощью которого мы можем выбирать среди них. Были и другие вопросы, в частности то, что существовало пять непротиворечивых струнных теорий. Было сложно представить, что Вселенная могла позволять существование пяти отдельных единых теорий поля. Эйнштейн считал, что у Бога не было выбора при создании Вселенной, так почему же Бог должен был создать целых пять вселенных? |