СИЛЫ ПРИРОДЫ И ОБЪЕДИНЕНИЕ ФИЗИКИ

v Квантовая механика предполагает, что носителями всех сил, то есть взаимодействий между частицами материи, тоже являются частицы. Таким образом, частица материи, скажем электрон или кварк, испускает частицу, выступающую носителем взаимодействия. Отдача от ее испускания изменяет скорость частицы материи, подобно тому как выстрел заставляет пушку откатываться назад. Частица—переносчик взаимодействия сталкивается с другой частицей материи и поглощается ею, изменяя ее движение. В конечном счете испускание и поглощение дает тот же самый результат, как если бы существовала сила, действующая между двумя частицами материи (рис. 33).

Рис. 33. Обмен частицами.

Согласно квантовой теории силы возникают вследствие обмена частицами, выступающими переносчиками взаимодействий.

Каждое взаимодействие переносится частицами особого типа. Если частицы, переносящие взаимодействие, обладают большой массой, это затрудняет их образование и обмен ими на значительных расстояниях. Так что взаимодействия, носителями которых они выступают, имеют относительно небольшой радиус действия. И напротив, при переносе взаимодействия частицами, не имеющими собственной массы, радиус действия силы существенно увеличивается. Частицы—переносчики взаимодействий, которыми обмениваются частицы материи, называются виртуальными, потому что, в отличие от «реальных», их нельзя непосредственно обнаружить при помощи детектора частиц. Мы знаем, однако, что они существуют благодаря порождаемому ими и поддающемуся измерению эффекту: они порождают взаимодействие между частицами материи.
Частицы-переносчики можно разделить на четыре категории. Нужно подчеркнуть, что это деление на четыре класса является искусственным, оно принято для удобства построения частных теорий и не несет в себе более глубокого смысла. Большинство физиков надеются выйти в конце концов на объединенную теорию, которая представит все четыре взаимодействия как разные аспекты единственного взаимодействия. Пожалуй, многие согласятся, что это главная цель современной физики.
Первую категорию составляет гравитационное взаимодействие. Это универсальная сила, то есть каждая частица испытывает на себе действие гравитации соразмерно своей массе или энергии. Гравитационное притяжение можно представить как обмен виртуальными частицами, называемыми гравитонами. Гравитация — самая слабая из четырех сил, намного слабее остальных; она настолько слаба, что мы вообще не замечали бы ее, если бы не два ее особых свойства: она может действовать на больших расстояниях, и она всегда притягивает. Это означает, что самые слабые гравитационные силы между отдельными частицами двух больших тел типа Земли и Солнца способны складываться в суммарную, весьма существенную силу. Три другие силы либо короткодействующие, либо могут как притягивать, так и отталкивать, а потому обнаруживают тенденцию к взаимному погашению.
Следующая категория — электромагнитное взаимодействие, возникающее между электрически заряженными частицами, такими как электроны и кварки, но не влияющее на нейтральные частицы типа нейтрино. Электромагнитное взаимодействие намного сильнее гравитации: электрические силы между двумя электронами приблизительно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с сорока двумя нулями) раз сильнее гравитационных. Однако электрический заряд бывает двух типов: положительный и отрицательный. Между двумя положительными или двумя отрицательными зарядами возникает отталкивание, а между положительным и отрицательным — притяжение.
Большое тело вроде Земли или Солнца содержит почти равное число положительных и отрицательных зарядов. Таким образом, притяжение и отталкивание между отдельными частицами почти уравновешивают друг друга и результирующая электромагнитная сила очень невелика. Однако в масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Электромагнитное притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра удерживает электроны на орбите вокруг ядра атома, так же как гравитационное притяжение заставляет Землю обращаться вокруг Солнца. Электромагнитное притяжение принято объяснять обменом большим количеством частиц, называемых фотонами. Опять-таки эти фотоны — виртуальные частицы. Но, когда электрон перемещается с одной орбиты на другую, ближе к ядру, высвобождается энергия и испускается реальный фотон — при подходящей длине волны его может регистрировать человеческий глаз или такой детектор фотонов, как, например, фотопленка. И наоборот, когда реальный фотон сталкивается с атомом, он может переместить электрон на более удаленную от ядра орбиту. На это уходит энергия фотона, и потому он поглощается.
Третья категория называется слабым ядерным взаимодействием. В повседневной жизни мы не сталкиваемся с ним непосредственно. Слабое взаимодействие ответственно за радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер.

В четвертую категорию входит самое мощное из всех сильное ядерное взаимодействие. Оно также не имеет непосредственного отношения к нашему повседневному опыту, но это та самая сила, которая скрепляет б о льшую часть окружающего нас мира. Она удерживает кварки внутри протонов и нейтронов и не дает протонам и нейтронам покинуть ядро атома. Если бы не она, отталкивание положительно заряженных протонов разорвало бы все атомные ядра во Вселенной, кроме ядер водорода, состоящих из одного протона. Переносчиком сильного ядерного взаимодействия считается глюон^[13] — частица, которая взаимодействует только сама с собой и с кварками.

v в 1984 г., произошел знаменательный поворот в сторону семейства теорий, называемых теориями струн.
До появления теорий струн считалось, что каждая из фундаментальных элементарных частиц может находиться в определенной точке пространства. В теориях струн фундаментальные объекты не точечные частицы, а протяженные. Они имеют длину, но никаких других измерений, подобно струне с бесконечно малым поперечным сечением. Эти объекты могут иметь концы (так называемые открытые струны) или сворачиваться в кольцо (замкнутые струны). Частица в каждый момент времени занимает одну точку пространства. Струна же в каждый момент времени занимает в пространстве линию. Две струны могут слиться в одну; в случае открытых струн просто соединяются их концы, а в случае закрытых — это напоминает соединение штанин в одной паре брюк^[15]. Точно так же одна струна может разделиться на две.
Если элементарные объекты во Вселенной представляют собой струны, что же такое тогда точечные частицы, которые мы, похоже, наблюдаем в экспериментах? В теориях струн то, что ранее считалось различными точечными частицами, рассматривается как различные виды волн, распространяющихся по струнам, вроде тех, что пробегают по вибрирующей бечевке воздушного змея. Сами же струны вместе со своими колебаниями настолько малы, что даже лучшие наши технологии не способны выявить их форму, потому-то во всех наших экспериментах они и ведут себя как крошечные, бесформенные точки. Представьте себе, что вы рассматриваете крошечную пылинку: вблизи или под лупой, вы можете увидеть, что она имеет неправильную или даже струноподобную форму, но вот на расстоянии пылинка выглядит лишенной характерных черт точкой.
В теории струн испускание или поглощение одной частицы другой соответствует делению или слиянию струн. Например, в физике элементарных частиц гравитационное воздействие Солнца на Землю объясняется тем, что частицы солнечного вещества испускают гравитоны, частицы—переносчики взаимодействия, а частицы вещества Земли их поглощают^[16]. В теории струн этот процесс представляется Н-образной диаграммой, напоминающей соединение труб (теория струн вообще чем-то напоминает водопроводное дело). Две вертикальные палочки буквы «Н» соответствуют частицам вещества Солнца и Земли, а горизонтальная перекладина — гравитону, который перемещается между ними (рис. 35).

Рис. 35. Диаграммы Фейнмана в теории струн.

В теории струн происхождение дальнодействующих сил связывается скорее с соединением труб, чем с обменом частицами—переносчиками взаимодействий.

v Теории струн также ведут к бесконечностям, но считается, что в правильной версии теории все они сократятся (хотя это еще неизвестно наверняка). Гораздо серьезнее другая проблема: теории струн совместимы только с пространством-временем, имеющим либо десять, либо двадцать шесть измерений вместо обычных четырех!
Конечно, наличие у пространства-времени дополнительных измерений сделалось общим местом научной фантастики. Действительно, они дают идеальный способ преодоления ограничений, которые общая теория относительности накладывает на сверхсветовые перемещения и путешествия в прошлое (см. гл. 10). Идея заключается в том, чтобы добраться к цели коротким путем через дополнительные измерения. Это можно представить себе следующим образом. Вообразите, что пространство, в котором мы существуем, имеет только два измерения и изогнуто подобно поверхности якорного кольца или бублика^[17]. Если вы находитесь на внутренней стороне поверхности и хотите добраться в диаметрально противоположную точку кольца, вам придется двигаться к цели по кругу на внутренней поверхности кольца. Но если бы вы могли выйти в третье измерение, вам удалось бы покинуть поверхность кольца и срезать путь.
Почему мы не наблюдаем все эти дополнительные измерения, если они действительно существуют? Почему нашему восприятию доступны только три пространственных измерения и одно измерение времени? Вероятный ответ состоит в том, что другие измерения не похожи на те, к которым мы привыкли. Они свернуты до очень небольшого размера, что-то вроде одной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доли сантиметра (10 — 30 см). Это так мало, что просто незаметно для нас: мы фиксируем только одно измерение времени и три измерения пространства, в которых пространство-время практически плоское. Чтобы представить себе, как это получается, вообразите поверхность соломинки. Посмотрев на нее с близкого расстояния, вы увидите, что поверхность двумерная. То есть положение точки на соломинке описывается двумя числами — расстоянием, измеренным вдоль соломинки, и расстоянием, измеренным поперек ее длины, по окружности. Но поперечный размер намного меньше продольного. Вот почему издали соломинка выглядит лишенной толщины, одномерной и кажется, что задать положение точки на ней можно одним, продольным измерением. Приверженцы теории струн утверждают, что аналогичным образом обстоит дело и с пространством-временем: в ничтожно малых масштабах оно десятимерное и сильно искривленное, но в больших масштабах ни искривления, ни дополнительных измерений не наблюдается.
Если описанная картина верна, это плохая новость для людей, мечтающих о космических путешествиях: дополнительные измерения, по-видимому, слишком малы, чтобы вместить космический корабль. Однако это описание ставит большой вопрос и перед учеными: почему только некоторые, а не все измерения свернуты в маленький шарик? Предполагается, что в молодой Вселенной все измерения были сильно искривлены. Почему одно временн о е и три пространственных измерения распрямились, а другие остаются тесно свернутыми?
Один из возможных ответов — антропный принцип, который можно сформулировать следующим образом: мы видим Вселенную такой, какая она есть, потому что мы существуем. Имеется две версии антропного принципа — слабая и сильная. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая невообразимо велика или даже бесконечна в пространстве и/или времени, условия, необходимые для развития разумной жизни, складываются только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа, населяющие такие области, не должны удивляться тому, что их местопребывание во Вселенной удовлетворяет тем условиям, которые необходимы для жизни. В каком-то смысле они подобны богачу, живущему в фешенебельном районе и не сталкивающемуся с нищетой.
Некоторые теоретики идут намного дальше и предлагают сильную версию принципа. Согласно этой последней существует или много различных вселенных, или много различных областей одной Вселенной, каждая из которых обладает собственной начальной конфигурацией и, возможно, собственным набором физических законов. В большинстве таких вселенных физические условия не способствуют развитию сложных организмов, и лишь немногие вселенные, подобные нашей, стали колыбелью разумных существ, задавшихся вопросом: почему Вселенная такова, какой мы ее видим? Тогда ответ прост: окажись она другой, нас бы здесь не было!

Поиск по сайту: