Искривленное пространство-время
Возможно, путь к лучшему понимаю природы Вселенной находится в той части физического мира, которая до сих пор в основном игнорировалась квантовой теорией. Квантовая механика многое рассказывает о материальных частицах, но почти ничего не говорит о пустом пространстве. Еще Эддингтон более 50 лет назад в книге «Природа физического мира» заметил, что революция, показавшая нам, что твердая материя в значительной степени состоит из пустых пространств, является гораздо более фундаментальной, чем революция, произведенная теорией относительности. Даже твердый объект, например мой письменный стол или эта книга, в действительности почти целиком является пустым пространством. Отношение материи к пространству даже меньше отношения песчинки к Альберт-Холлу. Квантовая теория кое-чего не сообщает нам об этих пренебрежимых 99,99999… процентах Вселенной, а именно того, что они полны активности, что в них крутятся вихри виртуальных частиц. К сожалению, те же самые квантовые уравнения, которые дают бесконечные результаты в квантовой электродинамике, также показывают, что плотность энергии вакуума бесконечна и даже пустое пространство должно быть перенормировано. Когда стандартные квантовые уравнения сочетаются с уравнениями общей теории относительности в попытке создать лучшее описание реальности, ситуация становится еще хуже – бесконечности по-прежнему появляются, но теперь их нельзя даже перенормировать. Мы явно идем по ложному следу. Но какой же след истинный?
|
|
|
Роджер Пенроуз из Оксфордского университета в попытке достигнуть прогресса вернулся к основам. Он рассмотрел различные варианты составления геометрического описания вакуума и частиц в вакууме, и эти описания включали искаженное пространство-время и искривленные кусочки пространства-времени, которые мы воспринимаем как частицы. По очевидным причинам (англ, twist – закручивать, искривлять. – Примеч. пер.) разработанная им теория получила название теории «твисторов». К сожалению, помимо того, что математика этой теории не поддается пониманию обычных людей, сама теория далека от того, чтобы считаться законченной. Но концепция очень важна: с помощью этой теории Пенроуз пытается объяснить и крошечные частицы, и огромные пустые пространства внутри твердых предметов наподобие этой книги. Может, теория и неверна, но, затрагивая проблему, в основном игнорируемую учеными, она проливает свет на одну из возможных причин провалов стандартной теории.
Есть и другие способы представить искажения пространства на квантовом уровне. Сочетая гравитационную постоянную, постоянную Планка и скорость света (три фундаментальных постоянных физики), можно получить уникальную базовую единицу длины, представляющую собой самый маленький отрезок пространства, который можно описать достоверно. Она очень мала, около 10-35 метра, и называется планковской длиной. Точно так же, если организовать фундаментальные постоянные другим образом, можно получить одну-единственную фундаментальную единицу времени – планковское время, которое составляет примерно 10-43 секунды[78]. Бессмысленно говорить о каком-либо меньшем интервале времени, чем планковское время, или о каком-либо меньшем пространственном измерении, чем планковская длина.
|
|
|
Квантовыми флуктуациями в геометрии пространства можно полностью пренебречь на уровне атомов или даже элементарных частиц, но на этом фундаментальном уровне и само пространство можно представить пеной квантовых флуктуаций – Джон Уилер, который разработал эту идею, проводит сравнение с океаном, который кажется плоским для авиатора, летящего высоко над ним, но кажется совершенно не плоским пассажирам спасательной шлюпки, болтающейся на его изменчивой, подверженной штормам поверхности[79]. На квантовом уровне само пространство-время может быть очень сложным с точки зрения топологии, с «кротовыми норами» и «мостами», соединяющими различные области пространства-времени. Как альтернатива, согласно вариации на тему, пустое пространство может состоять из черных дыр размером с планковскую длину, прижатых друг к другу.
|
|
|
Это туманные, не несущие удовлетворения и в целом загадочные идеи. Фундаментальных ответов пока не получено, но знание о том, что наше понимание «пустого пространства» на самом деле сбивчиво и ненадежно, туманно и неудовлетворительно, не принесет вам вреда. Оно расширяет наш разум таким образом, что он получает возможность предположить, будто все материальные частицы на самом деле не более чем искривленные фрагменты пустого пространства. Делая вывод о том, что теории, которые мы «понимаем», не выдерживают проверки, можно предположить, что прогресса следует ждать от того, что мы еще не понимаем, а потому интересно проследить за тем, что предложат нам квантовые геометры в ближайшие годы.
Нарушенная симметрия
Симметрия – это фундаментальная концепция физики. Например, фундаментальные уравнения являются симметричными с позиции времени и прекрасно работают как для движения вперед во времени, так и для движения во времени назад. Другую симметрию можно понять с позиции геометрии. Скажем, вращающаяся сфера может отражаться в зеркале. Если мы посмотрим сверху вниз на верхушку сферы, она может предстать перед нами вращающейся против часовой стрелки, и в этом случае ее отражение будет вращаться по часовой стрелке. И настоящая сфера, и ее отражение движутся способом, позволенным законами физики, которые в этом смысле симметричны (и, конечно, отражение сферы вращается именно так, как вращалась бы настоящая сфера, если бы время пустили вспять; если же время обращено вспять и сделано зеркальное отражение, мы снова возвращаемся к началу). В природе существует множество других видов симметрии. Некоторые из них легко понять при описании обычным языком – электрон и позитрон, к примеру, можно представить зеркальными отражениями друг друга и точно так же один из них можно представить движущимся назад во времени оппонентом другого. Обратный положительный заряд – это отрицательный заряд. Вместе эти идеи об отражении в пространстве (называемые изменением четности, так как лево и право меняются местами), отражении во времени и отражении заряда составляют один из самых серьезных глубинных принципов физики, теоремы СРТ, которая гласит, что законы физики не должны претерпевать изменений при одновременном изменении всех трех законов на их зеркальные отражения. Именно теорема СРТ является основой предположения о том, что испускание частицы является точным эквивалентом поглощения ее античастицы-двойника.
|
|
|
Рис. Э.4. Симметрия отражения. Вращение сферы в зеркальном мире соответствует ее вращению в реальном мире, где время повернуто вспять.
Но другие типы симметрии гораздо сложнее описать обычным языком – для полного их понимания необходим язык математики. Однако эти типы симметрии необычайно важны для понимания последних новостей с фронта частиц, поэтому задумайтесь о простом физическом примере: представьте мяч, который балансирует на лестнице. Если мы передвинем мяч на другую ступеньку, мы изменим его потенциальную энергию в гравитационном поле, в котором он находится. Неважно, как мы двигаем мяч – мы можем взять его в кругосветное путешествие или отправить на ракете на Марс и обратно и лишь потом переместить на новую ступеньку. Величина потенциальной энергии зависит исключительно от высоты двух ступенек – той, на которой мяч лежит изначально, и той, на которой он оказывается в результате наших манипуляций. Неважно, от чего мы будем отталкиваться при измерении потенциальной энергии. Мы можем начать с подвала и давать каждой из ступенек большую потенциальную энергию, или же мы можем начать с более низкой из двух ступенек, и в таком случае эта ступенька будет соответствовать нулевой потенциальной энергии[80]. Разница потенциальной энергии на двух ступеньках все равно будет одинаковой. Это особый тип симметрии, и, поскольку мы можем «откалибровать» начальный уровень, относительно которого мы совершаем измерения, такая симметрия называется калибровочной.
То же самое происходит с электрическими силами. В результате электромагнетизм Максвелла оказывается калибровочной постоянной, а квантовая электродинамика – калибровочной теорией, как и квантовая хромодинамика, разработанная на основе КЭД. Сложности возникают при обращении с материальными полями на квантовом уровне, но все их можно полно объяснить с помощью теории, которая демонстрирует калибровочную симметрию. Однако одной из важнейших характеристик квантовой электродинамики является то, что она обладает только калибровочной симметрией, поскольку масса фотона равняется нулю. Как выясняется, если бы фотон обладал хоть какой-то массой, было бы невозможно перенормировать теорию и избавиться от бесконечностей. Это становится проблемой, когда физики пытаются использовать успешную калибровочную теорию электромагнитного взаимодействия в качестве модели для разработки такой же теории слабого ядерного взаимодействия – процесса, который отвечает, помимо прочего, за радиоактивный распад и испускание бета-частиц (электронов) из радиоактивных ядер. Точно так же, как электрическая сила переносится (или распространяется) фотонами, слабое взаимодействие должно распространяться собственным бозоном. Но все гораздо сложнее, поскольку, чтобы электрический заряд мог передаваться при слабых взаимодействиях, слабый бозон («фотон» слабого поля) должен обладать зарядом. Поэтому на самом деле должно существовать две таких частицы, бозоны W+ и W-, а так как слабые взаимодействия не всегда предполагают перенос заряда, теоретикам пришлось внедрить третий переносчик, нейтральный Ζ-бозон, без которого набор слабых фотонов не мог считаться полным. Теория настаивала на существовании третьей частицы, что поначалу сбивало физиков с толку, ведь у них не было экспериментального свидетельства ее существования.
Верная математическая симметрия, включающая в себя слабое взаимодействие, две W-частицы[81] и нейтральную Ζ, впервые была разработана в 1960 году Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета и опубликована в 1961 году. Его теория не была окончена, но предположила возможность того, что в итоге и слабые, и электромагнитные взаимодействия могут быть объяснены одной теорией. Основная проблема заключается в том, что теория требует от W-частиц, в отличие от фотона, не только переносить заряд, но и обладать массой, что делает невозможной перенормировку теории, а также разрушает аналогию с электромагнетизмом, где фотон не обладает массой. Этим частицам необходимо обладать массой, поскольку слабое взаимодействие обладает коротким диапазоном, – если бы частицы не обладали массой, диапазон был бы бесконечным, как диапазон электромагнитного взаимодействия. Однако проблема связана не столько с самой массой, сколько со спином частиц. Все частицы, не обладающие массой, вроде фотона, в соответствии с квантовыми законами могут нести свой спин только параллельно или антипараллельно направлению своего движения. Частица, обладающая массой, наподобие W, также может нести спин перпендикулярно направлению своего движения, и это дополнительное состояние спина вызывает все проблемы. Если бы частицы W не обладали массой, существовал бы определенный тип симметрии между фотоном и W, а следовательно, и между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, что позволило бы объединить их в одну перенормируемую теорию, объясняющую обе силы. Проблемы возникают, поскольку эта симметрия «нарушена».
Как может быть нарушена математическая симметрия? Лучший пример можно найти в магнетизме. Мы можем представить, что брусок магнитного материала вмещает огромное число крошечных внутренних магнитов, соответствующих отдельным атомам. При нагревании магнитного материала эти крошечные внутренние магниты вращаются и сталкиваются друг с другом в случайном порядке, следуя во всех направлениях, и не существует общего магнитного поля бруска – не существует магнитной асимметрии. Но при охлаждении бруска ниже определенной температуры, называемой температурой Кюри, он внезапно принимает намагниченное состояние, а все внутренние магниты организовываются в стройную систему. При высокой температуре самое низкое из доступных энергетических состояний соответствует нулевой намагниченности; при низкой температуре самое низкое энергетическое состояние – это состояние, в котором выстроены внутренние магниты (и неважно, как именно они выстраиваются). Симметрия нарушена, и изменение произошло потому, что при высокой температуре термальная энергия атомов превосходит магнитные силы, в то время как при низкой температуре магнитные силы превосходят термальное возбуждение атомов.
Рис. Э.5. Нарушение симметрии происходит при охлаждении бруска магнитного материала.
В конце 1960-х годов работавший в Имперском колледже в Лондоне Абдус Салам и работавший в Гарварде Стивен Вайнберг независимо друг от друга разработали модель слабого взаимодействия, основанную на математической симметрии, которую в начале 1960-х изобрел Глэшоу, а через несколько лет – и сам Салам. В новой теории нарушение симметрии требует нового поля, поля Хиггса, и соответствующих частиц, которые также названы в честь Хиггса. Электромагнитное и слабое взаимодействие объединяются в одно симметричное калибровочное поле – электрослабое взаимодействие с бозонами-переносчиками, не обладающими массой. Впоследствии эта теория оказалась перенормируемой, что в 1971 году было подтверждено работой голландского физика Герарда т’Хоофта, и с этого момента теорию стали воспринимать всерьез. В 1973 году появилось свидетельство существования Ζ-частицы, и теория электрослабого взаимодействия оказалась окончательно доказана. Объединенное взаимодействие «работает» только в условиях очень высокой энергетической плотности, как во время Большого взрыва, а в условиях более низких энергий оно самопроизвольно нарушается таким образом, что крупные частицы W и Ζ, задействованные в электромагнитном и слабом взаимодействии, идут своими путями.
Важность новой теории подтверждается тем фактом, что в 1979 году Глэшоу, Салам и Вайнберг получили за нее Нобелевскую премию по физике, хотя тогда еще не было прямого экспериментального доказательства верности их идеи. Однако в начале 1983 года команда ЦЕРНа из Женевы объявила результаты экспериментов с частицами на очень высоких энергиях (достигнутых прямым столкновением пучка высокоэнергетических протонов с пучком высокоэнергетических антипротонов), которые лучше всего описать как W– и Ζ-частицы с массами около 80 ГэВ и 90 ГэВ соответственно. Эти результаты прекрасно соотносились с предсказаниями теории, и таким образом теория Глэшоу – Салама – Вайнберга является «хорошей» теорией, так как ее предсказания можно проверить, в отличие от более ранней теории Глэшоу, которая таковой не являлась. Тем временем теоретики не сидели без дела. Если два взаимодействия можно объединить в одну теорию, то почему нельзя создать великую единую теорию, которая вместила бы в себя все фундаментальные взаимодействия? Мечта Эйнштейна, как никогда, близка к претворению в жизнь в форме не просто симметрии, а суперсимметрии и супергравитации.
Супергравитация
Проблема калибровочных теорий, помимо сложности их перенормировки, заключается в том, что они не уникальны. Точно так же, как отдельная калибровочная теория включает в себя бесконечности, от которых необходимо избавиться посредством перенормировки, чтобы теория соответствовала реальности, существует бесконечное число возможных калибровочных теорий, и те, которые выбраны для описания физических процессов, необходимо подогнать таким же образом, на одинаково ситуативной основе, чтобы они соответствовали результатам наблюдений за реальным миром. Хуже того, в калибровочных теориях ничто не указывает на то, сколько должно быть различных типов частиц – сколько барионов, или лептонов (частиц из того же семейства, что и электроны), или калибровочных бозонов, или чего бы то ни было еще. В идеале физики хотели бы разработать уникальную теорию, которая требовала бы только определенное число определенного типа частиц, чтобы объяснить физический мир. Шаг в сторону такой теории был совершен в 1974 году, когда изобрели суперсимметрию.
Рис. Э.6. Нарушение магнитной симметрии, изображенное на рисунке Э.5, можно понять, воспользовавшись примером мяча во впадине. Если впадина только одна, мяч находится в стабильном, симметричном состоянии. Если существует две впадины, симметричная позиция нестабильна и мяч должен скорее рано, чем поздно скатиться в одну из впадин, нарушив тем самым симметрию.
Идея появилась из работ Юлиуса Весса из университета Карлсруэ и Бруно Зумино из университета Калифорнии в Беркли. Они оттолкнулись от предположения о том, как должны выглядеть вещи в идеально симметричном мире – что каждый фермион должен обладать бозоном-двойником с такой же массой. Вообще-то такой симметрии в природе не наблюдается, но объяснение может заключаться в том, что симметрия нарушена, как и симметрия, задействованная в электромагнитном и слабом взаимодействии. Само собой, проведя математические расчеты, вы обнаружите, что существуют способы описать суперсимметрии, которые существуют во время Большого взрыва, но затем нарушаются таким образом, что обычные частицы физики получают небольшую массу, в то время как их суперпартнеры обретают огромную массу. После этого суперчастицы могут существовать только короткий период времени, вскоре распадаясь каскадом менее крупных частиц. Чтобы создать суперчастицы сегодня, нам необходимо воссоздать условия Большого взрыва на крайне высоких энергиях, поэтому не стоит удивляться, если даже столкновение пучков протонов и антипротонов в ЦЕРНе не сможет создать их.
Все это очень «ненадежно». Но есть и большой плюс. До сих пор существуют разные версии суперсимметричной теории поля, разные вариации на тему, но ограничения симметрии означают, что каждая версия теории позволяет существование только определенного числа разных типов частиц. Некоторые версии предполагают наличие сотен различных типов фундаментальных частиц, что несколько пугает, но другие указывают на существование гораздо меньшего их числа. При этом ни одна из теорий не предсказывает возможность существования бесконечного числа «фундаментальных» частиц. Более того, в каждой из теорий суперсимметрии частицы организовываются в семейства. В самой простой версии существует всего один бозон с нулевым спином и его пара со спином 1/2; более сложная версия предполагает наличие двух бозонов со спином 1, одного фермиона со спином 1/2 и одного фермиона со спином 3/2 – и так далее. Но впереди нас ждет кое-что получше. В суперсимметриях не всегда приходится заниматься перенормировкой. В ряде таких теорий бесконечности автоматически отменяются, не в ситуативном порядке, а следуя должным математическим правилам и оставляя после себя разумные конечные числа.
Суперсимметрия, кажется, хороша, но она еще не является окончательным ответом. Чего-то все еще не хватает, и физики не знают, чего именно. Разные теории довольно сносно соотносятся с различными характеристиками реального мира, но ни одна теория суперсимметрии не объясняет реальный мир во всей его полноте. Тем не менее существует одна теория суперсимметрии, которая заслуживает отдельного упоминания. Она называется супергравитация N = 8.
Эта супергравитация отталкивается от гипотетической частицы, называемой гравитоном, которая переносит гравитационное поле. Помимо нее, существует еще восемь частиц (отсюда и N = 8), называемых гравитино, 56 «реальных» частиц вроде кварков и электронов и 98 частиц, которые выступают в роли посредников во взаимодействиях (фотоны, W и многие другие глюоны). Это внушительное количество частиц, но оно точно определено теорией, которая не оставляет места ни для одной частицы более. Трудности, с которыми физики сталкиваются при проверке теории, можно понять, рассмотрев гравитино. Они никогда не регистрировались, и существуют две диаметрально противоположные причины, по которым это так. Возможно, гравитино – это неуловимые, похожие на призраков частицы, обладающие крайне малой массой, которые никогда и ни с чем не вступают во взаимодействие. Или, возможно, они так тяжелы, что современные аппараты, используемые в опытах с частицами, не могут предоставить энергию, необходимую для их создания и наблюдения.
Проблемы огромны, но теории вроде супергравитации, по крайней мере, являются законченными и стройными и не нуждаются в перенормировке. Казалось бы, физики на верном пути. Но если ускорители частиц не подходят для проверки их теорий, как можно быть уверенными в этом? Именно поэтому космология – наука о всей Вселенной – сегодня является одной из наиболее передовых областей науки. Как сказал в 1983 году Хайнц Пагельс, исполнительный директор Нью-Йоркской академии наук: «Мы уже вступили в эру постускорительной физики, для которой вся история Вселенной становится опытным полигоном для фундаментальной физики»[82]. И космологи столь же жаждут постичь физику частиц.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 250; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!