Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Вам может показаться странным, что наиболее известное из всех взаимодействий – гравитация – является самым слабым. Но задумайтесь на мгновение. Гравитации требуется задействовать всю массу Земли, чтобы держать нас на её поверхности. Сила, с которой взаимодействует с Землёй средний человек, стоя на её поверхности, составляет всего 70 килограммов. Разделите эту силу на количество атомов в теле человека, и станет очевидным, что сила, приходящаяся на один атом, ничтожна.

Но если электрические силы настолько сильнее гравитационных, почему же они не выкидывают нас прочь с поверхности Земли или, наоборот, не размазывают по ней? Гравитационные силы, действующие между любыми двумя объектами, всегда являются силами притяжения (если не учитывать отталкивающую составляющую, за которую ответственна космологическая постоянная). Каждый электрон и каждое атомное ядро нашего тела притягивают каждый электрон и каждое атомное ядро Земли. Это приводит к появлению ощутимой суммарной силы притяжения, несмотря на то что силы, действующие между отдельными частицами, крайне малы. В противоположность гравитации электрические силы зависят от знака зарядов и могут быть как силами притяжения, так и отталкивания. Разноимённые заряды, например электрон и протон, притягиваются, а одноимённые, скажем два электрона или два протона, – отталкиваются. Но и наше тело, и вся Земля состоят из положительных и отрицательных зарядов, число которых практически одинаково, в результате чего электрические силы притяжения полностью компенсируют силы отталкивания. Но предположим, что мы временно удалили все электроны из наших тел и из всех атомов Земли. Оставшиеся положительные заряды будут отталкиваться с силой, во много раз превосходящей силу их взаимного гравитационного притяжения. На сколько превосходящей? Примерно в 1040 раз – единица и сорок нулей! Под действием такой силы вы будете мгновенно выкинуты с поверхности Земли практически со скоростью света. По правде говоря, такое никогда не может случиться. Положительные заряды в наших телах будет отталкиваться друг от друга настолько сильно, что мы будем мгновенно разорваны в пух и прах. И то же самое произойдёт с Землёй.

Электрические силы не являются ни самыми сильными, ни самыми слабыми из негравитационных сил. Большинство обычных частиц взаимодействуют посредством так называемого слабого взаимодействия. Хорошим примером являются нейтрино, участвующие только в слабых (не считая гравитационных) взаимодействиях. Слабые силы на самом деле не так уж и слабы, но они действуют только на очень малых расстояниях. Два нейтрино должны оказаться невероятно близко друг от друга, чтобы провзаимодействовать, – примерно на расстоянии одной тысячной диаметра протона. Если они находятся на таком расстоянии, то величина слабого взаимодействия между двумя нейтрино будет примерно такой же, как и величина электромагнитного взаимодействия между двумя электронами, но в обычных условиях сила слабого взаимодействия составляет лишь небольшую часть от силы электромагнитного. Слабые силы настолько малы, что рождаемые в недрах Солнца нейтрино легко проходят сквозь всю толщу Солнца и сквозь Землю без сколько-нибудь заметного возмущения. На самом деле они могут пройти через слой свинца толщиной в один световой год.

Наконец, мы подошли к самому сильному из всех взаимодействий, которые удерживают вместе частицы, составляющие атомное ядро. Ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. В ядре нет никаких отрицательных зарядов. Почему же оно не взрывается? Потому что протоны и нейтроны притягиваются друг у другу с силой, примерно в 50 раз превышающей их электростатическое отталкивание. Кварки, составляющие отдельные протоны, притягиваются друг к другу с ещё большей силой. Почему же протоны и нейтроны наших тел не притягиваются с такой же огромной силой к протонам и нейтронам Земли? Потому что ядерные силы, так же как и слабые, являются короткодействующими. Они способны преодолеть электрическое отталкивание протонов, только когда протоны находятся близко друг от друга. Стоит частицам удалиться одна от другой более чем на пару диаметров протона, и сильное взаимодействие становится незначительным. В основе сильного взаимодействия лежат силы, действующие между кварками – элементарными частицами, из которых состоят адроны.

Я часто испытываю дискомфорт, своего рода смущение, когда мне приходится рассказывать о физике элементарных частиц «мирянам». Со стороны она выглядит мусорной свалкой, разнородной коллекцией фундаментальных частиц, массы которых не подчиняются никаким закономерностям; и, управляя всем, торчит четвёрка сил некстати, в причинах коих сил ни смысла нет, ни стати. Является ли Вселенная «элегантной», как утверждает Брайан Грин? Насколько я могу судить, нет. Во всяком случае, глядя на Законы Физики элементарных частиц. Но в контексте бесконечного разнообразия Мегаверсума существует некоторая закономерность: все силы и большинство элементарных частиц являются абсолютно необходимыми. Стоит хотя бы немного изменить любой из законов или любое из свойств любой частицы, и жизнь в том виде, в каком мы её знаем, станет невозможной.

Происхождение теории струн

Теоретическая физика высоких энергий в 1960-х годах оперировала весьма необычной идеологией. В чём-то эта идеология созвучна идеям физиолога Б. Ф. Скиннера, гуру бихевиоризма, утверждавшего, что только внешнее поведение человека может служить объективным материалом для изучения человеческого мышления. Согласно Скиннеру, физиолог не должен иметь дела с внутренним психическим состоянием человека. Он зашёл настолько далеко, что утверждал, будто такой вещи, как внутренний психологический мир, вообще не существует. Задача физиолога состоит в наблюдении, измерении и фиксации внешнего поведения субъекта без каких бы то ни было попыток судить о его внутренних чувствах, мыслях или эмоциях. Для бихевиориста человек представляет собой чёрный ящик, преобразующий сигналы от органов чувств на входе в поведение на выходе.

Физический бихевиоризм называется теорией S-матрицы. В начале 1960-х, когда я ещё был студентом, многие продвинутые теоретики в Беркли считали, что физики не должны пытаться объяснить внутреннее устройство адронов, а вместо этого рассматривать набор законов адронной физики как чёрный ящик, называемый матрицей рассеяния, или просто S-матрицей. Подобно бихевиористам, защитники S-матрицы требовали, чтобы теоретическая физика строго ограничивалась областью экспериментальных данных и не занималась спекуляциями относительно ненаблюдаемых (как тогда считалось) явлений, будто бы имеющих место на абсурдно малых расстояниях, например внутри протона.

На вход чёрного ящика подавался специфический набор частиц, сталкиваемых друг с другом. Это могли быть протоны, нейтроны, мезоны и даже атомные ядра. Каждая частица характеризовалась импульсом, спином, электрическим зарядом и другими индивидуальными свойствами. Эти частицы исчезали внутри метафорического чёрного ящика, а затем на выходе регистрировался другой набор частиц – результат столкновения, опять же каждая со своими индивидуальными свойствами. Догма Беркли запрещала заглядывать внутрь чёрного ящика в попытке узнать устройство его механизма. Всё, что мы имели, – только исходный и конечный наборы частиц. Этот подход полностью соответствовал тому, чем занимались экспериментаторы на ускорителях, имея пучки высокоэнергетичных частиц на входе и данные детекторов, регистрирующих продукты столкновений, на выходе.

S-матрица – это просто таблица квантово-механических вероятностей. Вы имеете входные данные, а S-матрица сообщает вам вероятности того, что вы можете получить на выходе. Таблица вероятностей зависит от направлений и энергий входящих и выходящих из чёрного ящика частиц, и, согласно превалирующей идеологии середины 1960-х годов, теория элементарных частиц должна быть строго ограничена изучением зависимости S-матрицы от этих переменных. Всё остальное было запрещено. Идеологи решили, что они лучше знают, как лучше для науки, и превратились в стражей научного пуризма. Теория S-матрицы была здоровым напоминанием о том, что физика является эмпирической наукой, но, как и в случае с бихевиористами, философия S-матрицы завела их слишком далеко. По мне, это всё походило на засовывание удивительного цветного мира в серый унылый стерилизатор бухгалтерских таблиц. И я взбунтовался. Но у меня не было подходящей для бунта теории.

В 1968 году молодой итальянский физик Габриэле Венециано жил и работал в Израиле в институте Вейцмана. Он не был идеологически подкован в вопросах теории S-матрицы, но его занимала одна имеющая отношение к S-матрице математическая задача. Существовали определённые технические требования, которым должна удовлетворять S-матрица, но никто до того времени не мог написать ни одного удовлетворяющего этим требованиям математического выражения. Венециано пытался найти хотя бы одно. Его попытка завершилась блестящим успехом. Он получил чрезвычайно аккуратный результат, известный сегодня как «амплитуда Венециано». Но это не было изображением внутреннего строения каких-то частиц или визуализацией процессов столкновения. Амплитуда Венециано была красивым математическим выражением – элегантной математической таблицей вероятностей.