Гиперпространство - Каку Митио

Стандартная модель способна объяснить все экспериментальные данные, касающиеся субатомных частиц с энергией вплоть до 1 ТэВ (энергией, возникающей при ускорении электрона в поле, созданном разностью потенциалов в триллион вольт). Это почти предел для ускорителей, существующих в настоящее время[55]. Следовательно, можно без преувеличения сказать, что Стандартная модель — самая удачная теория в истории науки.

Согласно Стандартной модели каждое взаимодействие, связывающее различные частицы, создается при обмене различными видами квантов. Сейчас мы рассмотрим силы по отдельности, а затем объединим их в Стандартную модель.

Сильное взаимодействие

Стандартная модель гласит, что протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы вовсе не являются элементарными, а состоят из других, еще более малых частиц — кварков. В свою очередь, кварки различают по трем «цветам» и шести «ароматам» (эти термины не имеют никакого отношения к цветам и ароматам в привычном понимании этих слов). Существуют также аналоги кварков, характерные для антиматерии, — антикварки. (Антиматерия идентична материи во всех отношениях, но имеет противоположные заряды и аннигилирует при соприкосновении с обычной материей.) Таким образом, получаем 3x6x2 = 36 кварков.

В свою очередь, кварки удерживаются вместе благодаря обмену небольшими порциями энергии — глюонами. Математически эти глюоны описываются полем Янга-Миллса, которое «сгущается» в липкую субстанцию, которая прочно связывает кварки между собой. Глюонное поле обладает такой силой и связывает кварки так прочно, что их невозможно оторвать друг от друга. Это явление называется кварковым конфайнментом, им можно объяснить причину, по которой свободные кварки так и не удалось получить экспериментальным путем.

Например, протон и нейтрон можно сравнить с тремя стальными шарами (кварки) в метательном снаряде для ловли скота бола, им не дает разлететься Y-образная бечевка (глюон). Другие частицы, между которыми существует сильное взаимодействие, например 7 π-мезон, можно сравнить с кварком и антикварком, которые удерживаются вместе одной бечевкой (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Частицы, между которыми есть сильное взаимодействие, в действительности состоят из еще более мелких частиц, которые называются кварками. Они связаны друг с другом вязким «клеем», который описан полем Янга-Миллса. Протон и нейтрон состоят из трех кварков каждый, а мезон — из кварка и антикварка.

Ясно, что при воздействии на эту конструкцию из стальных шаров мы можем заставить ее колебаться. В мире квантов допустим лишь дискретный набор колебаний. Каждая вибрация группы стальных шаров или кварков соответствует определенному типу субатомных частиц. Таким образом, эта простая (но имеющая огромное значение) схема объясняет, что существует бесконечное множество частиц, связанных сильным взаимодействием. Часть Стандартной модели, описывающая сильное взаимодействие, называется квантовой хромодинамикой (КХД) — квантовой теорией цветового взаимодействия.

Слабое взаимодействие

По Стандартной модели, сила слабого взаимодействия обуславливает свойства таких лептонов, как электрон, мюон, тау-мезон и соответствующие им нейтрино. Подобно другим силам, лептоны взаимодействуют, обмениваясь квантами, которые называются W- и Z-бозонами. Математически эти кванты также описываются полем Янга-Миллса. В отличие от глюонной силы, взаимодействие, созданное обменом W- и Z-бозонами, слишком слабое, чтобы привести связанные лептоны в резонанс, поэтому мы и не видим появляющееся при работе ускорителей бесконечное множество лептонов.

Электромагнитное взаимодействие

В Стандартную модель входит максвелловская теория взаимодействия с другими частицами. Эта часть Стандартной модели, объясняющая взаимодействие электронов и света и именуемая квантовой электродинамикой (КЭД), подтверждена экспериментально и верна с точностью до одной десятимиллионной — строго говоря, это самая точная теория в истории.

Словом, плоды 50-летних исследований, на которые затрачено несколько сотен миллионов долларов государственных средств, дают нам следующую картину субатомной материи: вся материя состоит из кварков и лептонов, которые взаимодействуют, обмениваясь квантами разных видов, описанными полями Максвелла и Янга-Миллса. В одном предложении мы выразили суть продолжавшихся весь прошлый век обескураживающих исследований субатомного мира. Из этой простой картины можно с помощью одной только математики вывести бесчисленные и непостижимые свойства материи. (Теперь кажется, что это просто, между тем нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, один из авторов Стандартной модели, вспоминал, каким извилистым был 50-летний путь к ее открытию. Он писал: «В теоретической физике есть традиционное представление, которое, безусловно, влияло на всех, но на меня особенно. Было принято считать, что сильное взаимодействие — слишком сложное явление, непостижимое человеческим разумом»[56].)

Симметрия в физике

Подробности Стандартной модели довольно скучны и мало-значимы. Самая интересная особенность этой модели — симметрия, лежащая в ее основе. Исследованиям материи («дерева») способствовало то, что несомненный признак симметрии виден в каждом взаимодействии. Кварки и лептоны появляются не в произвольном порядке, а согласно определенным закономерностям Стандартной модели.

Строго говоря, симметрией занимаются не только физики. Художники, писатели, поэты и математики с давних пор восхищались красотой, которую усматривали в симметрии. Поэт Уильям Блейк видел в симметрии мистические и даже пугающие свойства, о чем писал в стихотворении «Тигр»:

Тигр, о тигр, светло горящий В глубине полночной чащи, Кем задуман огневой Соразмерный образ твой?[57][58]

Для математика Льюиса Кэрролла симметрия была привычным понятием и порой предметом шуток. В «Охоте на Снарка» он так выразил сущность симметрии:

Кипятите в опилках; солите в клею; Саранчой и тесьмой укрепите; Но и главную цель не забудьте свою — Симметричность ему сохраните![59]

Иными словами, симметрия — это сохранение предметом формы даже после того, как мы деформируем или вращаем его. Несколько видов симметрии распространены в природе. Первый — симметрия вращений и отражений. К примеру, снежинка выглядит так же, как прежде, если повернуть ее на 60°. К тому же типу относится симметрия калейдоскопа, цветка, морской звезды. Мы называем ее пространственно-временной симметрией, создаваемой вращением объекта в пространственном или временном измерении. Симметрия специальной теории относительности — того же типа, так как описывает пространственно-временные вращения.

Симметрия еще одного типа возникает при перетасовке ряда объектов. Представьте себе уличного наперсточника, который передвигает три наперстка, под одним из которых спрятана горошина. Игру усложняет множество разных способов расстановки наперстков. По сути дела, переставить три наперстка можно шестью разными способами. Поскольку горошина не видна, для наблюдателя все шесть положений идентичны. Математикам нравится присваивать разным видам симметрии обозначения. Симметрия игры в наперстки названа S3 — так обозначается количество способов взаимной перестановки трех идентичных предметов.