Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

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.