774
0,2
2014-12-22
Теория струн: о чём думает бог?
От Стивена Хокинга доступным языком
К началу 1980-х гг. физики буквально утонули в море элементарных частиц. Каждый раз, разбивая атом на части при помощи мощного ускорителя частиц, они, к немалому изумлению, обнаруживали, что из расщепленного атома вылетают десятки новых частиц.
Такое положение дел настолько обескураживало, что Роберт Оппенгеймер заявил: Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы!
Энрико Ферми, в ужасе от того, как безудержно плодятся элементарные частицы с греческими буквами в названиях, сказал:
«Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».
Лишь после десятилетий кропотливой работы этот густонаселенный зоопарк удалось организовать хоть в какую-то систему под названием Стандартная модель. Миллиарды долларов, тяжкий труд тысяч инженеров и физиков и 20 Нобелевских премий позволили сложить мозаику Стандартной модели буквально по кусочкам.
Стандартная модель— теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
Это поистине замечательная теория, соответствующая, насколько можно судить, всем экспериментальным данным субатомной физики.
Но Стандартная модель, несмотря на экспериментальный успех, обладает одним очень серьезным недостатком. Как говорит Стивен Хокинг, «она некрасива и достаточно произвольна».
В ней по крайней мере 19 свободных параметров (в том числе масса частицы и сила ее взаимодействия с другими частицами), 36 кварков и антикварков, еще три важные субатомные частицы и их античастицы и множество других субатомных частиц со странными названиями, таких как глюоны Янга-Миллза, бозоны Хиггса, W-бозоны и Z-частицы.
Хуже того, Стандартная модель ничего не говорит о гравитации. Трудно поверить, что природа на самом первичном, базовом уровне может быть столь запутанной и в высшей степени неэлегантной. Эту теорию мог бы полюбить только человек, вложивший в нее свою душу. Отсутствия красоты в Стандартной модели оказалось достаточно, чтобы физики захотели заново проанализировать свои представления о природе. Что-то здесь было не так.
Если внимательно рассмотреть развитие физики за последние несколько столетий, окажется, что одним из важнейших достижений последнего из них стало сведение всех фундаментальных физических законов в две великие теории: квантовую теорию (представленную Стандартной моделью) и общую теорию относительности Эйнштейна (которая описывает гравитацию).
Замечательно, что вместе эти две теории представляют всю сумму физических знаний на фундаментальном уровне.
Первая теория описывает мир очень малого — субатомный квантовый мир, где частицы исполняют свой фантастический танец, возникают из ничего и тут же пропадают снова и к тому же умудряются находиться в двух местах одновременно.
Вторая теория описывает мир очень большого; ее интересуют такие предметы, как черные дыры и Большой взрыв; она пользуется языком гладких поверхностей, растянутого полотна и искаженного пространства.
Эти теории во всем противоположны друг другу, они используют разную математику, разные аксиомы и разную физическую картину мира. При взгляде на них создается впечатление, что у природы две руки, совершенно не связанных друг с другом. Мало того, все попытки объединить обе теории не привели ни к каким разумным результатам. На протяжении полувека каждый физик, пытавшийся под дулом пистолета поженить квантовую теорию и общую теорию относительности, неожиданно для себя обнаруживал, что при любой попытке добиться своего теория разлетается в клочья и дает в ответ бесконечность, лишенную всякого смысла.
Все изменилось с появлением на сцене теории струн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента.
Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.
Теорию струн даже превозносили как пресловутую «теорию всего», ускользавшую от Эйнштейна последние 30 лет его жизни.
Эйнштейну нужна была единая понятная теория, которая объединила бы в себе все законы физики и позволила ему «узнать, о чем думает Бог». Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, то она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет — с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество?
Но у теории струн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится.
Разумеется, наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное). Это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты, подобно пятому измерению Калуцы.
В последнее время физики начали всерьез задумываться о том, чтобы доказать или, наоборот, опровергнуть существование этих высших измерений.
Возможно, простейший способ убедиться в их существовании — это найти отклонения от ньютоновского закона всемирного тяготения. Из школы мы знаем, что сила притяжения Земли убывает с расстоянием. Если говорить более точно, сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, разделяющего объекты.
Но это верно только потому, что мы живем в трехмерном мире. (Представьте себе сферу вокруг Земли. Сила притяжения Земли равномерно распределяется по площади этой сферы, поэтому чем больше сфера, тем слабее сила притяжения. Но площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, поэтому и сила притяжения, распределенная по поверхности сферы, должна уменьшаться пропорционально квадрату радиуса.)
Но если бы во Вселенной было четыре пространственных измерения, то сила притяжения должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. Вообще, если бы вселенная имела п пространственных измерений, гравитация в ней убывала бы пропорционально (n —1)-й степени расстояния.
Знаменитый закон Ньютона о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, проверен на астрономических расстояниях с большой точностью; именно поэтому мы можем направлять космические зонды с поразительной точностью сквозь щели в кольцах Сатурна. Но до недавнего времени никто не проверял этот закон в лаборатории, на очень малых расстояниях.
Первый эксперимент, призванный проверить закон обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния, был проведен в 2003 г. в Университете Колорадо. Результат эксперимента был отрицательным: по всей видимости, параллельной вселенной не существует, по крайней мере, в Колорадо ее нет. Но отрицательный результат лишь раздразнил аппетиты других физиков, которые теперь надеются повторить этот эксперимент с еще большей точностью.
Кип Торн говорит:
«К 2020 г. физики будут уже понимать законы квантовой гравитации, и окажется, что они являются вариантом теории струн».
Брайан Грин, физик-теоретик, Профессор Колумбийского университета, один из наиболее известных специалистов в области теории струн.
В 1999 году выпустил книгу «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории». Является ярким популяризатором науки и организатором ежегодного фестиваля World Science Festival.
Главные тезисы ученого:
Теория струн разработана для того, чтобы ответить на вопрос, из чего сделана материя. Молекула состоит из атомов, атомы — из электронов, нейтронов и протонов, протоны — из кварков. Как русские матрешки. Однако все это значит, что где-то должна быть неделимая частица, финальная точка, которая уже не обладает структурой. Теория струн говорит о том, что, возможно, это не частица. Внутри самой маленькой точки может находиться энергетическая структура, которая вибрирует, как струна, но производит не звук, а частицу. В зависимости от частоты, частицы получаются разные.
Струна настолько мала, что если бы атом был размером со Вселенную, она была бы размером с дерево. Вот почему эмпирически теорию струн пока нельзя подтвердить. Для трехмерного пространства теория струн не подходит. Но если измерений больше 10, она становится непротиворечивой. Возможно, эти измерения очень малы, и их нельзя увидеть невооруженным взглядом.
Есть числа, которые полностью описывают нашу Вселенную. Это фундаментальные физические постоянные: массы элементарных частиц, коэффициенты электромагнитного взаимодействия и другие. Если изменить любое из этих чисел, мир просто перестанет существовать. Возможно, эти постоянные зависят от формы дополнительных измерений. Взаимодействие измерений определяет взаимодействие планет.
Наблюдения показали, что Вселенная, расширяясь, ускоряется, а не замедляется. Что раскидывает галактики? Дело в том, что все пространство заполнено топливом, темной энергией, которая толкает их друг от друга. И это доказано. Cколько темной энергии нужно, чтобы преодолеть гравитацию? Ее объем в числовом выражении выглядит так: 128 нулей после запятой, а в конце число 138. Сегодня это основной вопрос физики. Откуда взялось такое число? Если Больших взрывов было много, и каждая Вселенная имеет свое количество темной энергии, это просто значит, что в нашей Вселенной ее объем таков.
Наша Вселенная будет становиться все более разреженной и непригодной для жизни. Жизнь?—? это вообще очень проходящее явление. Она может исчезнуть в пустоте времени и пространства. Но если существуют другие вселенные, то в них есть жизнь. Жизнь здесь может погибнуть, но вновь возникнет в других Вселенных.
Вселенные могут столкнуться, и это провоцирует колебания. Если мы найдем их, это будет самый знаменательный момент в истории, который докажет, что мы не одни. Но нельзя перейти из одной Вселенной в другую. Мы же попадем во времена Большого взрыва.
Во времена Ньютона существовала физика, которую ты держал в руке. Сегодня мы далеко ушли от этого. Однажды мы можем столкнуться с тем, что чего-то в принципе не сможем понять. Возможно, мы просто недостаточно умны. Собаку можно научить многому, но вы никогда не сможете объяснить ей теорию относительности. Хотя, может быть, сейчас какой-нибудь пес сидит и смеется надо мной.
К началу 1980-х гг. физики буквально утонули в море элементарных частиц. Каждый раз, разбивая атом на части при помощи мощного ускорителя частиц, они, к немалому изумлению, обнаруживали, что из расщепленного атома вылетают десятки новых частиц.
Такое положение дел настолько обескураживало, что Роберт Оппенгеймер заявил: Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы!
Энрико Ферми, в ужасе от того, как безудержно плодятся элементарные частицы с греческими буквами в названиях, сказал:
«Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».
Лишь после десятилетий кропотливой работы этот густонаселенный зоопарк удалось организовать хоть в какую-то систему под названием Стандартная модель. Миллиарды долларов, тяжкий труд тысяч инженеров и физиков и 20 Нобелевских премий позволили сложить мозаику Стандартной модели буквально по кусочкам.
Стандартная модель— теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
Это поистине замечательная теория, соответствующая, насколько можно судить, всем экспериментальным данным субатомной физики.
Но Стандартная модель, несмотря на экспериментальный успех, обладает одним очень серьезным недостатком. Как говорит Стивен Хокинг, «она некрасива и достаточно произвольна».
В ней по крайней мере 19 свободных параметров (в том числе масса частицы и сила ее взаимодействия с другими частицами), 36 кварков и антикварков, еще три важные субатомные частицы и их античастицы и множество других субатомных частиц со странными названиями, таких как глюоны Янга-Миллза, бозоны Хиггса, W-бозоны и Z-частицы.
Хуже того, Стандартная модель ничего не говорит о гравитации. Трудно поверить, что природа на самом первичном, базовом уровне может быть столь запутанной и в высшей степени неэлегантной. Эту теорию мог бы полюбить только человек, вложивший в нее свою душу. Отсутствия красоты в Стандартной модели оказалось достаточно, чтобы физики захотели заново проанализировать свои представления о природе. Что-то здесь было не так.
Если внимательно рассмотреть развитие физики за последние несколько столетий, окажется, что одним из важнейших достижений последнего из них стало сведение всех фундаментальных физических законов в две великие теории: квантовую теорию (представленную Стандартной моделью) и общую теорию относительности Эйнштейна (которая описывает гравитацию).
Замечательно, что вместе эти две теории представляют всю сумму физических знаний на фундаментальном уровне.
Первая теория описывает мир очень малого — субатомный квантовый мир, где частицы исполняют свой фантастический танец, возникают из ничего и тут же пропадают снова и к тому же умудряются находиться в двух местах одновременно.
Вторая теория описывает мир очень большого; ее интересуют такие предметы, как черные дыры и Большой взрыв; она пользуется языком гладких поверхностей, растянутого полотна и искаженного пространства.
Эти теории во всем противоположны друг другу, они используют разную математику, разные аксиомы и разную физическую картину мира. При взгляде на них создается впечатление, что у природы две руки, совершенно не связанных друг с другом. Мало того, все попытки объединить обе теории не привели ни к каким разумным результатам. На протяжении полувека каждый физик, пытавшийся под дулом пистолета поженить квантовую теорию и общую теорию относительности, неожиданно для себя обнаруживал, что при любой попытке добиться своего теория разлетается в клочья и дает в ответ бесконечность, лишенную всякого смысла.
Все изменилось с появлением на сцене теории струн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента.
Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.
Теорию струн даже превозносили как пресловутую «теорию всего», ускользавшую от Эйнштейна последние 30 лет его жизни.
Эйнштейну нужна была единая понятная теория, которая объединила бы в себе все законы физики и позволила ему «узнать, о чем думает Бог». Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, то она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет — с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество?
Но у теории струн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится.
Разумеется, наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное). Это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты, подобно пятому измерению Калуцы.
В последнее время физики начали всерьез задумываться о том, чтобы доказать или, наоборот, опровергнуть существование этих высших измерений.
Возможно, простейший способ убедиться в их существовании — это найти отклонения от ньютоновского закона всемирного тяготения. Из школы мы знаем, что сила притяжения Земли убывает с расстоянием. Если говорить более точно, сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, разделяющего объекты.
Но это верно только потому, что мы живем в трехмерном мире. (Представьте себе сферу вокруг Земли. Сила притяжения Земли равномерно распределяется по площади этой сферы, поэтому чем больше сфера, тем слабее сила притяжения. Но площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, поэтому и сила притяжения, распределенная по поверхности сферы, должна уменьшаться пропорционально квадрату радиуса.)
Но если бы во Вселенной было четыре пространственных измерения, то сила притяжения должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. Вообще, если бы вселенная имела п пространственных измерений, гравитация в ней убывала бы пропорционально (n —1)-й степени расстояния.
Знаменитый закон Ньютона о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, проверен на астрономических расстояниях с большой точностью; именно поэтому мы можем направлять космические зонды с поразительной точностью сквозь щели в кольцах Сатурна. Но до недавнего времени никто не проверял этот закон в лаборатории, на очень малых расстояниях.
Первый эксперимент, призванный проверить закон обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния, был проведен в 2003 г. в Университете Колорадо. Результат эксперимента был отрицательным: по всей видимости, параллельной вселенной не существует, по крайней мере, в Колорадо ее нет. Но отрицательный результат лишь раздразнил аппетиты других физиков, которые теперь надеются повторить этот эксперимент с еще большей точностью.
Кип Торн говорит:
«К 2020 г. физики будут уже понимать законы квантовой гравитации, и окажется, что они являются вариантом теории струн».
Брайан Грин, физик-теоретик, Профессор Колумбийского университета, один из наиболее известных специалистов в области теории струн.
В 1999 году выпустил книгу «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории». Является ярким популяризатором науки и организатором ежегодного фестиваля World Science Festival.
Главные тезисы ученого:
Теория струн разработана для того, чтобы ответить на вопрос, из чего сделана материя. Молекула состоит из атомов, атомы — из электронов, нейтронов и протонов, протоны — из кварков. Как русские матрешки. Однако все это значит, что где-то должна быть неделимая частица, финальная точка, которая уже не обладает структурой. Теория струн говорит о том, что, возможно, это не частица. Внутри самой маленькой точки может находиться энергетическая структура, которая вибрирует, как струна, но производит не звук, а частицу. В зависимости от частоты, частицы получаются разные.
Струна настолько мала, что если бы атом был размером со Вселенную, она была бы размером с дерево. Вот почему эмпирически теорию струн пока нельзя подтвердить. Для трехмерного пространства теория струн не подходит. Но если измерений больше 10, она становится непротиворечивой. Возможно, эти измерения очень малы, и их нельзя увидеть невооруженным взглядом.
Есть числа, которые полностью описывают нашу Вселенную. Это фундаментальные физические постоянные: массы элементарных частиц, коэффициенты электромагнитного взаимодействия и другие. Если изменить любое из этих чисел, мир просто перестанет существовать. Возможно, эти постоянные зависят от формы дополнительных измерений. Взаимодействие измерений определяет взаимодействие планет.
Наблюдения показали, что Вселенная, расширяясь, ускоряется, а не замедляется. Что раскидывает галактики? Дело в том, что все пространство заполнено топливом, темной энергией, которая толкает их друг от друга. И это доказано. Cколько темной энергии нужно, чтобы преодолеть гравитацию? Ее объем в числовом выражении выглядит так: 128 нулей после запятой, а в конце число 138. Сегодня это основной вопрос физики. Откуда взялось такое число? Если Больших взрывов было много, и каждая Вселенная имеет свое количество темной энергии, это просто значит, что в нашей Вселенной ее объем таков.
Наша Вселенная будет становиться все более разреженной и непригодной для жизни. Жизнь?—? это вообще очень проходящее явление. Она может исчезнуть в пустоте времени и пространства. Но если существуют другие вселенные, то в них есть жизнь. Жизнь здесь может погибнуть, но вновь возникнет в других Вселенных.
Вселенные могут столкнуться, и это провоцирует колебания. Если мы найдем их, это будет самый знаменательный момент в истории, который докажет, что мы не одни. Но нельзя перейти из одной Вселенной в другую. Мы же попадем во времена Большого взрыва.
Во времена Ньютона существовала физика, которую ты держал в руке. Сегодня мы далеко ушли от этого. Однажды мы можем столкнуться с тем, что чего-то в принципе не сможем понять. Возможно, мы просто недостаточно умны. Собаку можно научить многому, но вы никогда не сможете объяснить ей теорию относительности. Хотя, может быть, сейчас какой-нибудь пес сидит и смеется надо мной.
