Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   66


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.


(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


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


Колебание струны одним особым способом может иметь свойства электрона, в то время как струна, колеблющаяся другим способом, может иметь свойства up-кварка, down-кварка или любого другого семейства частиц из Таблицы 12.1. Это не значит, что "электронная струна" составляет электрон, или up-кварковая струна составляет up-кварк, или down-кварковая струна составляет down-кварк. Вместо этого единственный вид струны может отвечать за великое множество частиц, поскольку струна может выполнять великое множество способов колебаний.


Как вы можете видеть, это представляет потенциально гигантский шаг в направлении унификации. Если теория струн верна, кружащий голову и делающий стеклянными глаза список частиц в Таблице 12.1 представляется колебательным репертуаром единственного базового ингредиента. Метафорически, различные ноты, которые могут быть сыграны на единственном виде струн могут отвечать за все различные частицы, которые были обнаружены. На ультрамикроскопическом уровне вселенная будет сродни симфонии струн, чьи вибрации дают существование материи.


Это восхитительно элегантная система для объяснения частиц в Таблице 12.1, но кроме того, предложенные теорией струн унификации идут еще дальше. В Главе 9 и в нашем обсуждении выше мы рассмотрели, как силы природы переносятся на квантовом уровне другими частицами, частицами-переносчиками, которые собраны в Таблице 12.2. Теория струн отвечает за частицы-переносчики точно так же, как она отвечает за частицы материи. А именно, каждая частица-переносчик является струной, которая проявляет специфический способ колебаний. Фотон является вибрацией струны одним особым способом, глюон есть колебание струны другим способом. И, что имеет первоочередную важность, что показали Шварц и Шерк в 1974, имеется особая колебательная мода, которая имеет все свойства гравитона, так что гравитационная сила включается в квантовомеханическую схему теории струн. Таким образом, не только частицы материи возникают из вибрирующих струн, но так же и частицы-переносчики – даже частица-переносчик гравитации. Взаимодействие (сила) Частица-переносчик Масса

Сильное Глюон 0

Электромагнитное Фотон 0

Слабое W; Z 86; 97

Гравитационное Гравитон 0


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


Итак, помимо обеспечения первого успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики, теория струн обнаруживает свою мощь, обеспечив единое описание для всей материи и всех взаимодействий. Это то утверждение, которое выбило тысячи физиков из их кресел в середине 1980х; со временем они поднялись и отряхнули с себя пыль, многие поменяли убеждения.


Почему теория струн работает?


Перед разработкой теории струн путь научного прогресса был усыпан неудачными попытками соединить гравитацию и квантовую механику. Так что такое с теорией струн, что позволило ей так сильно преуспеть? Мы описали, как Шварц и Шерк осознали, в значительной степени неожиданно для себя, что один особый способ колебаний струны имеет точно такие правильные свойства, чтобы быть гравитоном, и, как они затем заключили, что теория струн обеспечивает готовую схему для соединения двух теорий. Исторически в самом деле так и было, сила и перспективность теории струн были случайно осознаны, но как объяснение, почему струнный подход преуспевает там, где все другие попытки пасуют, оно оставляет желать лучшего. Рис. 12.2 суммирует конфликт между ОТО и квантовой механикой – на ультракоротких пространственных (и временных) масштабах буйство квантовой неопределенности становится настолько интенсивным, что гладкая геометрическая модель пространства-времени, лежащая в основе ОТО, разрушается – так что вопрос в следующем: Как теория струн решает проблему? Как теория струн нормализует бурные флуктуации пространства-времени на ультрамикроскопических расстояниях?


Главное новое свойство струнной теории в том, что ее основной ингредиент не точечная частица, – точка не имеет размера – а, вместо этого, объект, который имеет пространственную протяженность. Эта разница является ключевой для успеха теории струн в соединении гравитации и квантовой механики.