Закрученные пассажи

Глава 4 Подходы к проблемам теоретической физики

— Привет, Афина! Ты что, смотришь «Касабланку»?

— Да. Не хочешь присоединиться? Сейчас как раз идет такая чудесная сцена.

— Подожди, Икар! не кажется ли тебе, что последняя строка немного странная? Казалось бы, она должна быть такой романтичной, но звучит так, как будто говорится о физике.

— Афина, если ты думаешь, что она странная, тогда тебе следует послушать первые строки песни:

— Икар, неужели ты думаешь, что я тебе поверила? я знаю тебя, в следующий раз ты расскажешь мне про Рика и Илзу, сбежавших в седьмое измерение! Давай забудем, что я вообще что-то сказала, и просто посидим и посмотрим фильм?

Эйнштейн обнародовал общую теорию относительности в начале двадцатого века, а в 1931 году Руди Вэлли записал песню Германа Хупфелда, которую процитировал (кстати, правильно) Икар. Однако к тому времени, как Сэм напевал эту мелодию в фильме «Касабланка», слова, которые напомнил Икар, — так же как учение о пространстве-времени — были почти забыты массовой культурой. И хотя Теодор Калуца высказал свою идею о дополнительные измерениях в 1919 году[29], физики до недавнего времени совершенно не воспринимали эту идею серьезно.

Теперь, когда мы видели, что такое измерения и как они могут ускользнуть от нашего взора, мы почти готовы спросить, что вызвало этот новый интерес к дополнительным измерениям. Почему физики должны верить, что эти измерения действительно существуют в реальном физическом мире? Ответ на этот вопрос потребует значительно более продолжительных объяснений, включающих рассказ о некоторых наиболее значительных физических достижениях прошлого века. Прежде чем погрузиться в описание возможных вселенных с дополнительными измерениями, я в нескольких следующих главах дам обзор этих достижений и объясню, почему они являются предшественниками более современных теорий. Мы рассмотрим основные изменения во взглядах и понятиях, случившиеся в начале двадцатого века (квантовая механика, общая теория относительности), расскажем о сути современной физики частиц (Стандартная модель, симметрия, нарушение симметрии, проблема иерархии) и о новых идеях, подводящих к пока что нерешенным проблемам (суперсимметрия, теория струн, дополнительные измерения и браны).

Однако, прежде чем погрузиться в эти темы, мы совершим в этой главе краткое путешествие вглубь материи, чтобы оборудовать физическую сцену. И поскольку понимание того, где мы находимся, требует также некоторого знакомства с современными идеями, мы рассмотрим теоретические подходы, важные для современных исследований.

Сначала я думала, что «заниматься самым важным» — это разумный выбор правильной цитаты из песни. Но после некоторых размышлений слова стали звучать так похоже на физику, что я решила проверить, не сыграла ли моя память со мной шутку, как это часто бывает с текстами песен, даже в том случае, когда вы уверены, что они навсегда врезалась в вашу память. Я была удивлена (и позабавлена), когда обнаружила, что песня уходит корнями в физику больше, чем я могла вообразить. Я совершенно не понимала, что слова «время проходит» говорят о четвертом измерении.

Физическая интуиция может работать так же; из тоненьких нитей иногда могут образоваться неожиданные связи. Если вам повезет, то окажется, что вы нашли гораздо больше того, что искали, при условии, что вы искали в правильном месте. В физике, если вы обнаружили какие-то взаимосвязи, пусть и следуя неясным намекам, вы пытаетесь их расшифровать тем способом, который считаете наилучшим. Этот поиск может опираться на разумные оценки или на попытки вывести математические свойства теории, которой, как вы считаете, можно доверять.

В следующем разделе мы рассмотрим современные методы, используемые для поиска таких связей: построение моделей (мой конек) и альтернативный подход к фундаментальной физике высоких энергий — теорию струн. Теоретики, занимающиеся струнами (далее, для краткости, струнники — Прим. пер.), пытаются вывести универсальные предсказания из определенной теории, в то время как создатели моделей пытаются найти пути решения конкретных физических задач, а затем, опираясь на эти отправные точки, построить теории. Как создатели моделей, так и струнники занимаются поиском более всеобъемлющих теорий, обладающих большей предсказательной силой. Они стремятся ответить на сходные вопросы, но подходят к ним с разных сторон. Исследование иногда основывается на разумных оценках, как в случае построения моделей, иногда оно включает извлечение логических следствий из той окончательной теории, которая уже считается правильной, как в случае с подходом теории струн. Вскоре мы увидим, что современные исследования по дополнительным измерениям успешно соединяют элементы обоих методов.

Хотя поначалу меня тянуло к математике и естественным наукам благодаря той определенности, которую они обещали, сейчас мне не менее интересны вопросы, на которые нет ответа, и связи, которым пока нет объяснений. Принципы, содержащиеся в квантовой механике, теории относительности и Стандартной модели, будят воображение, но они едва касаются тех примечательных идей, которыми увлечены сегодня физики. Мы чувствуем, что требуется что-то новое, ибо ощущаем недостаток идей. Эта нехватка является предвестником новых физических явлений, которые проявятся, когда мы осуществим новые эксперименты.

Ученые, занимающиеся физикой частиц (далее, для краткости, частичники — Прим. пер.), пытаются установить те законы природы, которые объясняют поведение элементарных частиц. Эти частицы и физические законы, которым они подчиняются, являются компонентами того, что физики называют теорией — определенным множеством элементов и принципов с правилами и уравнениями для предсказания того, как элементы взаимодействуют. Когда я говорю в этой книге о теориях, я буду использовать это слово в указанном смысле и не буду подразумевать «грубые рассуждения», как это делается на более разговорном языке.

В идеале физики мечтают найти теорию, способную объяснить все наблюдения, но использующую при этом самое малое возможное число правил и минимально возможное число фундаментальных ингредиентов. Конечной целью для ряда физиков является простая, элегантная, объединяющая теория, такая теория, которую можно использовать для предсказания результатов любого эксперимента в физике частиц.

Охота за такой объединяющей теорией — это честолюбивая, кто-то может сказать, дерзкая задача. В некотором отношении она отображает давно начавшиеся поиски простоты. В Древней Греции Платон рассматривал идеальные формы, подобные геометрическим фигурам и идеальным существам, которым только приближенно соответствуют земные тела. Аристотель также верил в идеальные формы, но он полагал, что только эксперименты могут обнаружить те идеалы, которых напоминают физические тела. Религии также часто постулируют более совершенное или более единое состояние, которое удалено от реальности, но как-то с ней связано. История изгнания из сада Эдема предполагает идеализированный предшествующий мир. Хотя вопросы и методы физики в наше время и у наших предков весьма отличаются друг от друга, физики тоже ищут более простую вселенную, и пытаются найти ее не в философии или религии, а в образующих наш мир фундаментальных составных частях.

Однако на пути поиска элегантной теории, которую мы можем связать с нашим миром, есть одно очевидное препятствие: когда мы глядим вокруг себя, мы видим очень мало той простоты, которую должна воплощать такая теория. Проблема состоит в том, что мир сложен. Требуется много усилий для того, чтобы связать простую, экономную формулировку с более сложным реальным миром. Помимо того, что единая теория должна быть простой и элегантной, она должна как-то вмещать достаточную структуру, чтобы соответствовать наблюдениям. Мы предпочитаем верить, что существует точка зрения, откуда все выглядит элегантно и предсказуемо. Однако Вселенная не является такой же чистой, простой и упорядоченной, как теории, с помощью которых мы надеемся ее описать.

Частичники преодолевают область, связывающую теорию с наблюдениями, с помощью двух различных методологий. Ряд теоретиков следует подходу «сверху вниз»: они стартуют с теории, которую считают правильной, например, теоретики-струнники начинают с теории струн и пытаются извлечь из нее следствия, так чтобы связать эту теорию со значительно более беспорядочным миром, который мы наблюдаем. С другой стороны, создатели моделей следуют подходу «снизу вверх»: они пытаются вывести лежащую в основе теорию, устанавливая связи между наблюдаемыми элементарными частицами и их взаимодействиями. Они ищут ключи к загадкам физических явлений и строят модели, приводящие к теориям, которые могут оказаться как верными, так и неверными. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки, и наилучший путь к успеху не всегда очевиден.

Конфликт между двумя научными подходами интересен тем, что он отражает два совершенно различных подхода к научным исследованиям. Это разделение представляет собой воплощение научных споров, идущих из глубины веков. Следуете ли вы платоновскому подходу, заключающемуся в стремлении понять нечто, исходя из более фундаментальной истины, или аристотелевскому подходу, основанному на эмпирических наблюдениях? Выбираете ли вы путь сверху вниз или путь снизу вверх?

Этот выбор можно также выразить словами «старый Эйнштейн против молодого Эйнштейна». В молодости Эйнштейн основывал свою работу на экспериментах и физической реальности. Даже его так называемые мысленные эксперименты базировались на физических ситуациях. Подход Эйнштейна изменился после того, как во время создания общей теории относительности он осознал ценность математики. Он обнаружил, что критическое значение для завершения его теории имели математические достижения, что побудило его в последующей деятельности к использованию более теоретических методов. Несмотря на успешное применение математики к общей теории относительности, дальнейшие математические поиски единой теории не привели Эйнштейна к успеху.

Как показывает работа Эйнштейна, есть различные типы научной истины и разные способы их поисков. Один способ основан на наблюдениях; именно так мы изучаем, например, квазары и пульсары. Другой основан на абстрактных принципах и логике; например, Карл Шварцшильд впервые вывел существование черных дыр как математическое следствие общей теории относительности. В конечном итоге мы хотели бы, чтобы оба способа сблизились, — сейчас существование черных дыр выводится как из математической обработки наблюдений, так и из чистой теории, однако на первых стадиях исследования наши успехи, основанные на двух типах истины, редко совпадают. В случае же теории струн принципы и уравнения по своей глубине и близко не стоят рядом с теми, на которых основана общая теория относительности, так что вывод следствий из этих принципов становится намного сложнее.

Когда теория струн впервые приобрела известность, она резко разделила мир физики частиц. Я была студенткой старшего курса в середине 1980-х годов, когда «струнная революция» впервые расколола мир физики частиц пополам. В это время одна часть физического сообщества с открытым сердцем решила посвятить себя неосязаемому математическому миру теории струн.

Основное исходное положение теории струн состоит в том, что струны, а не частицы являются самыми фундаментальными объектами в природе. Частицы, которые наблюдаются в окружающем нас мире, являются просто следствиями существования струн: они возникают из различных колебательных мод вибрирующей струны, что весьма напоминает то, как в результате колебаний скрипичной струны возникают различные музыкальные звуки. Теория струн завоевала признание, так как физики искали теорию, которая согласованным образом включает квантовую механику и общую теорию относительности и может делать предсказания вплоть до самых мельчайших доступных масштабов расстояний. Для многих теория струн выглядит как наиболее многообещающий кандидат на такую теорию.

Однако другая группа физиков решила сохранить контакт с миром относительно низких энергий, который можно исследовать экспериментально. Я была в Гарварде, и тамошние частичники, в том числе выдающиеся создатели моделей Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу, а также многие талантливые аспиранты и студенты, остались стойкими приверженцами подхода, основанного на построении моделей, и продолжали исследования в этом направлении.

Вскоре развернулась ожесточенная борьба относительно достоинств двух противоположных точек зрения — теории струн и построения моделей, причем каждая сторона заявляла о более прочной позиции на пути к истине. Создатели моделей считали, что струнники находятся в математическом мире грез, в то время как струнники считали, что создатели моделей теряют свое время и игнорируют истину.

Так как в Гарварде было много блистательных создателей моделей и я получала удовольствие от этих идей, то, попав впервые в мир физики частиц, я примкнула к этому лагерю. Теория струн — волшебная теория, которая уже привела к глубоким математическим и физическим прорывам, и вполне может оказаться, что она содержит правильные составные части окончательного описания природы. Но поиск связи между теорией струн и реальным миром представляет устрашающую задачу. Проблема в том, что теория струн определена при значениях энергии, которые примерно в десять миллионов миллиардов раз больше, чем значения, которые мы способны экспериментально получать с помощью современных установок. Мы до сих пор даже не знаем, что случится, когда энергия ускорителей частиц увеличится всего в десять раз!

Колоссальная теоретическая пропасть отделяет теорию струн, в том виде, как мы ее сейчас понимаем, от предсказаний, описывающих наш мир. Уравнения теории струн описывают настолько ничтожно малые и обладающие такой невероятно большой энергией объекты, что любые сделанные на основе мыслимых технологий детекторы, которые мы только можем вообразить, не смогут даже увидеть эти объекты. Не только математически чудовищно трудно вывести следствия и предсказания теории струн, но даже не всегда ясно, как организовать составные части этой теории и определить, какую математическую задачу следует решать. Слишком легко потеряться в чаще деталей.

Теория струн может привести к избытку возможных предсказаний на расстояниях, которые мы действительно видим, — предсказываемые частицы зависят от до сих пор не определенной конфигурации фундаментальных составных частей теории. Без определенных гипотетических предположений теория струн выглядит так, будто в ней содержится больше частиц, больше взаимодействий и больше измерений, чем наблюдается в нашем мире. Нам нужно понять, что отсекает дополнительные частицы, взаимодействия и измерения от наблюдаемых. Мы до сих пор не знаем, существуют ли физические свойства, отделяющие одну конфигурацию от другой, и даже не представляем, как найти то единственное проявление теории струн, которое согласуется с нашим миром. Нам должно очень повезти, чтобы мы могли извлечь все правильные физические принципы, которые приведут к согласованию предсказаний теории струн с тем, что мы видим.

Например, невидимые дополнительные измерения теории струн должны отличаться от тех трех, которые мы видим. Гравитация в теории струн значительно сложнее, чем гравитация, которую мы наблюдаем вокруг нас и которая заставила яблоко упасть на голову Ньютону. Вместо этого гравитация в теории струн действует в шестимерном или семимерном пространстве с дополнительными измерениями. Какой бы пленительной и поразительной ни была теория струн, загадочные свойства вроде дополнительных измерений затеняют ее связь с видимой Вселенной. Что отличает эти дополнительные измерения от наблюдаемых? Почему не все они одинаковы? Открытие того, как и почему природа прячет дополнительные измерения теории струн, было бы ошеломляющим достижением, и ради него стоит исследовать все возможные способы, которые могли бы к этому привести.

До сих пор, однако, все попытки сделать теорию струн реалистичной напоминали косметическую хирургию. Для того чтобы согласовать предсказания этой теории с нашим миром, теоретики должны найти способ, как спокойно удалять частицы, сворачивать измерения и отбрасывать те куски, которых не должно остаться. Хотя окончательные наборы частиц соблазнительно близко приближаются к правильному набору, все же можно сказать, что эти наборы не совсем правильны. Признаком правильной теории должна также быть элегантность, но о красоте теории можно судить только после того, как мы полностью поймем все ее следствия. Теория струн сразу захватывает, но рано или поздно струнники должны задуматься над этими фундаментальными проблемами.

При изучении гористой местности без карты вам редко удается сказать, каким окажется самый прямой путь к вашей цели. На языке идей, как и в случае сложной местности, вначале совершенно неясно, по какому пути лучше всего идти. Даже если теория струн в конце концов объединяет все известные взаимодействия и частицы, мы до сих пор не знаем, содержит ли она единственный пик, представляющий конкретный набор частиц, сил и взаимодействий, или представляет более сложный ландшафт со многими возможными следствиями. Если бы дороги были ровными, с хорошо нанесенной разметкой, поиск пути был бы прост. Но вряд ли дело обстоит именно так.

Итак, подход к продвижению за пределы Стандартной модели, который я буду развивать, это построение моделей. Термин «модель» может пробудить воспоминания о маленькой модели корабля или замка, которые вы собирали в детстве. Или вы можете подумать о численном моделировании на компьютере, когда подразумевается воспроизведение известной динамики, например того, как растет народонаселение или как движется вода в океане. Моделирование в физике частиц не соответствует ни тому, ни другому из этих определений. Однако оно чем-то близко употреблению этого слова в журналах и на показах мод: модели, как на подиуме, так и в физике, представляют воображаемые творения и проявляются во множестве форм и образов. И все внимание достается самым красивым из них.

Нет нужды подчеркивать, что сходство на этом кончается. Модели физики частиц — это гипотезы об альтернативных физических теориях, которые могли бы лежать в основе Стандартной модели. Если вы представляете себе единую теорию как вершину горы, то создатели моделей — это первопроходцы, которые пытаются найти дорогу, связывающую вершину с находящимся внизу прочным основанием, состоящим из хорошо установленных физических теорий, дорогу, которая в конце концов свяжет вместе новые идеи. Хотя создатели моделей признают привлекательность теории струн и допускают возможность, что она когда-нибудь окажется правильной, они все-таки не так, как струнники, уверены в том, что знают, какую теорию они обнаружат, если когда-нибудь доберутся до вершины.

Как мы увидим в гл. 7, Стандартная модель есть определенная физическая теория с фиксированным числом частиц и сил, находящихся в четырехмерном мире. Модели, выходящие за рамки Стандартной, включают ее составные части и воспроизводят ее следствия при энергиях, которые уже были исследованы, но они содержат также новые силы, новые частицы и новые взаимодействия, которые можно обнаружить только на меньших расстояниях. Физики предлагают использовать эти модели для решения современных загадок. Модели могут предсказывать различные типы поведения для известных или предполагаемых частиц, которые определяются новым набором уравнений, вытекающих из гипотез модели. Они могут предлагать также новые пространственные декорации, вроде тех, которые мы использовали с дополнительными измерениями или бранами.

Даже когда мы полностью понимаем теорию и ее приложения, такую теорию можно применять разными способами, приводящими к различным физическим следствиям для реального мира, в котором мы живем. Например, даже если мы знаем, как и за счет каких сил в принципе взаимодействуют частицы, нам все равно нужно знать, какие конкретные частицы и силы существуют в реальном мире. Модели позволяют тестировать возможности.

Теории различаются по заложенным в них предположениям и физическим понятиям, например, по масштабам расстояний или энергий, на которых применимы принципы теории. Модели представляют способ проникновения в самую глубину таких отличительных свойств. Они позволяют использовать потенциальные приложения теории. Если вы рассматриваете теорию как общую инструкцию по выпечке кекса, то модель — это точный рецепт. Теория утверждает, что нужно добавить сахар, а модель уточняет, добавить ли полчашки или две чашки сахара. Теория утверждает, что изюм следует класть по вкусу, а модель предлагает вам быть благоразумными и не класть его совсем.

Создатели моделей рассматривают нерешенные задачи Стандартной модели и пытаются использовать известные теоретические инструменты для изучения ее проблемных мест. Такой подход основан на инстинктивном убеждении, что энергии, при которых теория струн дает определенные предсказания, слишком далеки от тех, которые мы можем наблюдать. Создатели моделей пытаются увидеть большую картину, чтобы суметь найти в ней кусочки, относящиеся к нашему миру.

Мы, создатели моделей, прагматично допускаем, что не можем получить все сразу. Вместо того чтобы пытаться вывести следствия теории струн, мы стараемся представить, какие компоненты лежащей в основе физической теории объясняют известные наблюдения и устанавливают связи между экспериментальными данными. Предположения модели могут оказаться частью окончательной фундаментальной теории, или они могут пролить свет на новые связи даже до того, как мы поймем их глубинные теоретические обоснования.

Физика всегда стремится предсказать как можно большее число физических величин, исходя из минимально возможного числа предположений, но это не означает, что нам всегда удается сразу же установить самые фундаментальные теории. Часто удается значительно продвинуться до того, как все становится понятным на самом фундаментальном уровне. Например, физики понимали понятия температуры и давления и использовали их в термодинамике и построении тепловых машин задолго до того, как удалось объяснить эти понятия на более фундаментальном микроскопическом уровне как результат случайного движения большого числа атомов и молекул.

Так как модели связаны с физическими «явлениями» (имеются в виду экспериментальные наблюдения), то создателей моделей, тесно связанных с экспериментом, иногда называют феноменологами. Однако «феноменология» — неудачный выбор термина. Он не отражает роли анализа данных, который в современном сложном научном мире глубоко встроен в теорию. Создание моделей намного теснее связано с интерпретацией и математическим анализом, чем может предложить феноменология в философском смысле этого слова.

Однако лучшие модели обладают бесценным свойством. Они дают определенные предсказания о физических явлениях, предоставляя экспериментаторам возможность подтвердить их или опровергнуть. Эксперименты при высоких энергиях — это не только поиск новых частиц, но и проверка моделей и поиск ключей к лучшим моделям. Каждая предложенная модель физики частиц включает новые физические принципы и новые физические законы, действующие при измеримых энергиях. Поэтому она предсказывает новые частицы и проверяемые связи между ними. Открытие таких частиц и измерение их свойств может подтвердить или опровергнуть предлагаемые идеи. Цель экспериментов при высоких энергиях состоит в том, чтобы пролить свет на лежащие в основе физические законы и ту концептуальную схему, которая придает этим законам предсказательную силу.

Только некоторые модели оказываются правильными, но модели — это лучший способ для исследования возможностей и построения хранилища конкурирующих вариантов. Если теория струн правильна, мы сможем в конце концов узнать, каким образом некоторые модели следуют из теории, так же как термодинамика вытекает их атомной теории. Однако в течение примерно десяти лет два сообщества физиков были резко разделены. Когда мы недавно обсуждали этот раскол с Альбионом Лоуренсом, молодым струнником из Университета Брандайса, он сказал: «Одна из трагедий состоит в том, что теория струн и создание моделей были различными видами интеллектуальной деятельности. Создатели моделей и струнники не разговаривали друг с другом годами. Я всегда думал о теории струн как о дедушке всех моделей».

Как струнники, так и создатели моделей ищут удобный, элегантный путь, связывающий теорию с наблюдаемым миром. Любая теория будет действительно неотразима и, возможно, правильна, только если весь этот путь, а не только взгляд с вершины, докажет свою элегантность. Создатели моделей, начинающие путь от подножия, рискуют многими фальстартами, но струнники, начинающие путь с вершины, рискуют обнаружить себя на краю крутого отдельно стоящего утеса, слишком удаленного от базового лагеря, чтобы можно было найти обратный путь домой.

Вы можете сказать, что все мы ищем язык Вселенной. Но в то время как струнники фокусируют внимание на внутренней логике грамматики, создатели моделей обращают внимание на существительные и те фразы, которые, по их мнению, наиболее полезны. Если бы физиков-частичников послали во Флоренцию изучать итальянский язык, то создатели моделей знали бы, как спросить про гостиницу, и приобрели бы словарь, чтобы ориентироваться в среде, но говорили бы они с забавным акцентом и никогда полностью не поняли бы «Ад». Струнники, напротив, увлеклись бы пониманием тонкостей итальянской литературы, но рисковали бы умереть от голода, прежде чем выучили, как спросить, где можно поесть!

К счастью, сейчас положение дел изменилось. В наши дни теория и феноменология поддерживают развитие друг друга, так что многие из нас одновременно размышляют о теории струн и экспериментально ориентированной физике. Я продолжаю в собственных работах следовать подходу построения моделей, но включаю также идеи из теории струн. Я думаю, что в конце концов успехи будут достигнуты путем сочетания лучшего из обоих методов.

Как говорит Альбион, «различия снова размываются, сосредоточившись по большей части в изучении дополнительных измерений. Люди опять разговаривают друг с другом». Группы теоретиков уже не так жестко определены, у них расширилась общая основа. Возникло новое сближение цели и идей. С научной и социальной точек зрения, сейчас имеется сильное пересечение между создателями моделей и струнниками.

Одной из замечательных сторон теорий с дополнительными измерениями, которые будут здесь описаны, является то, что при создании таких теорий идеи от обоих лагерей объединяются. Дополнительные измерения из теории струн могут оказаться помехой, но могут и привести к новым идеям для разрешения старых проблем. Мы, безусловно, можем спросить, где эти дополнительные измерения и почему мы их не видим. Но мы можем также спросить, могут ли эти невидимые измерения иметь какое-то значение в нашем мире. Эти измерения могут помочь объяснить лежащие в основе взаимосвязи, важные для наблюдаемых явлений. Создатели моделей получают удовольствие от сложной задачи привязывания понятий вроде дополнительных измерений к наблюдаемым величинам вроде соотношений между массами. И, если нам повезет, интуитивные прозрения, вдохновленные моделями с дополнительными измерениями, могут успешно разрешить одну из величайших проблем, с которой сталкивается теория струн, — ее экспериментальную недосягаемость. Создатели моделей использовали выведенные из теории струн теоретические элементы для атаки на проблемы физики частиц. И такие модели, включая модели с дополнительными измерениями, будут иметь проверяемые следствия.

Когда мы будем рассматривать модели с дополнительными измерениями, мы увидим, что модельный подход в соединении с теорией струн породил большинство новых глубоких идей в области физики частиц, эволюции Вселенной, тяготения и теории струн. Теоретик-струнник со своим знанием грамматики и создатель моделей со своим словарем вдвоем начали писать вполне разумный разговорник.

В конечном счете идеи, которые мы будем рассматривать, касаются всей Вселенной. Однако эти идеи уходят корнями в физику частиц и теорию струн, которые призваны описывать мельчайшие компоненты вещества. Поэтому, прежде чем пускаться в путешествие по экстремальным просторам, которые исследуют эти теории, предпримем краткую прогулку вглубь вещества к его мельчайшим составным частям. Во время этой экскурсии по атому обратите внимание на основные строительные блоки вещества и размеры тех объектов, с которыми имеют дело разные физические теории. Они будут служить ориентирами, на которые в дальнейшем можно будет опираться и которые помогут вам осознать составные части, важные для разных областей физики.

Основным исходным пунктом большинства физических теорий является утверждение, что строительными элементами вещества являются элементарные частицы. Счистите все слои, и внутри вы всегда в конце концов обнаружите элементарные частицы. Частичники изучают вселенную, в которой эти объекты считаются мельчайшими элементами. В теории струн делается еще один шаг вперед и постулируется, что сами частицы являются осцилляциями элементарных струн. Однако даже струнники полагают, что вещество состоит из частиц — неразрушимых сущностей в его сердцевине.

Довольно трудно поверить, что все состоит из частиц; безусловно, они не видны невооруженным глазом. Но это есть следствие очень грубой разрешающей способности наших органов чувств, которые не могут непосредственно детектировать какой бы то ни было предмет, близкий по размерам к атому. Тем не менее, даже несмотря на то что мы не можем наблюдать элементарные частицы непосредственно, они являются элементарными строительными блоками вещества. Точно так же как изображения на мониторе вашего компьютера или экране телевизора составлены из крохотных точек, и тем не менее кажутся непрерывными, вещество состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц. Физические тела вокруг нас кажутся непрерывными и однородными, но на самом деле это не так.

Прежде, чем физикам удалось заглянуть вглубь вещества и определить его состав, им потребовалось совершить технологический прорыв в создании чувствительных измерительных приборов. Но каждый раз, как они разрабатывали все более точные приборы и технологии, обнаруживалась структура, т. е. более элементарные составные части вещества. И каждый раз, когда физикам удавалось создать приборы, которые могли прощупать еще меньшие размеры, они обнаруживали еще более фундаментальные составные части — субструктуру, т. е. составные части известных ранее структурных элементов.

Цель физики частиц состоит в открытии самых основных составных частей вещества и самых фундаментальных физических законов, которым подчиняются эти составные части. Мы изучаем малые масштабы расстояний, потому что элементарные частицы взаимодействуют на этих расстояниях и фундаментальные силы легче разделить. На больших расстояниях базовые составные части связаны в сложные объекты, так что фундаментальные физические законы распутываются с трудом и становятся поэтому более смутными. Малые масштабы расстояний интересны потому, что там действуют новые принципы и связи.

Вещество — не просто матрешка, внутри которой находятся все меньшие и меньшие копии похожих куколок. На малых расстояниях обнаруживаются поистине новые явления. Даже функционирование человеческого организма — например, работу сердца и механизм кровообращения — люди плохо представляли себе до тех пор, пока ученые, такие как Уильям Гарвей, не произвели в 1600-х годах вскрытие человеческого тела и не заглянули внутрь. Недавние эксперименты проделали то же самое с веществом, исследуя малые расстояния, на которых новые миры взаимодействуют за счет более фундаментальных физических законов. И точно так же, как циркуляция крови имеет важное значение для функционирования всего организма, фундаментальные физические законы приводят к важным следствиям для нас на больших масштабах.

Мы знаем теперь, что все вещество состоит из атомов, которые за счет химических процессов объединяются в молекулы. Атомы очень малы, их размер порядка ангстрема или одной сотой части от миллионной доли сантиметра. Но атомы не фундаментальны, они состоят из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами (рис. 30). Ядро много меньше, чем атом, и занимает по размеру лишь одну стотысячную долю атома. Но положительно заряженное ядро само является составным. Оно содержит положительно заряженные протоны и нейтральные (незаряженные) нейтроны, которые вместе называют нуклонами и которые ненамного меньше самого ядра. Такова была картина устройства вещества, которая была принята учеными до 1960-х годов и которую вы, вполне возможно, изучали в школе.

Эта схема атома правильна, хотя, как мы увидим ниже, квантовая механика приводит к более интересной картине орбит электронов, чем любая картинка,

которую вы можете нарисовать. Но мы теперь знаем, что протоны и нейтроны не являются фундаментальными частицами. В противоположность приведенному во введении высказыванию Гамова, у протона и нейтрона есть субструктура, более фундаментальные составные части, известные как кварки. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон содержит два d-кварка и один и-кварк (рис. 31) [30]. Эти кварки связаны друг с другом ядерными силами, известными как сильное взаимодействие. Электрон, другой компонент атома, ведет себя иначе. Насколько мы можем судить, он фундаментален — электрон невозможно разделить на более мелкие частицы, он не содержит внутри себя никакой субструктуры.

Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг придумал название «Стандартная модель» для обозначения хорошо установленной теории в физике частиц, которая описывает взаимодействия этих фундаментальных строительных блоков вещества — электронов, и- и d-кварков, а также других фундаментальных частиц, к которым мы сейчас перейдем. Стандартная модель описывает также три из четырех сил, за счет которых взаимодействуют элементарные частицы: электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие (гравитация обычно опускается).

Хотя гравитация и электромагнетизм были известны в течение столетий, вплоть до второй половины двадцатого века никто не понимал две последние, менее знакомые силы. Эти слабые и сильные взаимодействия влияют на фундаментальные частицы и очень важны для ядерных процессов. Они, например, позволяют кваркам связываться вместе, а нуклонам распадаться.

Если угодно, мы можем также включить гравитацию в Стандартную модель. Обычно это не делается, так как гравитация — слишком слабая сила, чтобы иметь какое либо значение на расстояниях, имеющих отношение к физике частиц при экспериментально доступных энергиях. При очень больших энергиях и на очень малых расстояниях наши обычные представления о гравитации терпят крах. Это важно для теории струн, но не играет роли на измеримых масштабах расстояний. При изучении элементарных частиц гравитация важна только для определенных расширений Стандартной модели, таких как модели с дополнительными измерениями, которые мы позднее рассмотрим. Для всех остальных предсказаний о поведении элементарных частиц про гравитацию можно забыть.

Теперь, когда мы вошли в мир фундаментальных частиц, нам стоит немного оглядеться и произвести переучет наших соседей. Кварки и и d, а также электрон образуют сердцевину вещества. Однако сегодня мы знаем, что существуют также дополнительные, более тяжелые кварки и другие электроноподобные частицы, которые никогда не обнаруживаются в обычном веществе. Например, в то время как электрон имеет массу порядка одной двухтысячной доли массы протона, частица, называемая мюоном, имеет такой же заряд, как у электрона, и массу, в двести раз больше, чем у электрона. Частица по имени тау, также имеющая тот же заряд, имеет массу еще в десять раз большую. За последние тридцать лет в экспериментах на коллайдерах высокой энергии были обнаружены еще более тяжелые частицы. Чтобы породить их, физикам потребовалось самое большое количество сконцентрированной энергии, какое только могут создать современные ускорители частиц.

Я сознаю, что этот раздел был объявлен как экскурсия внутрь вещества, но частицы, о которых я говорю, не содержатся внутри стабильных объектов материального мира. Хотя все известное вещество состоит из элементарных частиц, более тяжелые элементарные частицы не являются составными частями вещества. Вы не обнаружите их в шнурках своих туфель, на поверхности своего стола, на Марсе, или в любом другом известном нам физическом объекте. Однако эти частицы постоянно создаются в наши дни в экспериментах на коллайдерах высоких энергий, и они были частью ранней Вселенной сразу же после Большого взрыва.

Тем не менее эти тяжелые частицы являются существенными компонентами Стандартной модели. Они взаимодействуют за счет тех же сил, что и более знакомые частицы, и возможно, будут играть важную роль в более глубоком понимании наиболее фундаментальных законов природы, которым подчиняется вещество. На рис. 32 и 33 я перечислила частицы Стандартной модели. Я включила в список нейтрино и переносчиков сил — калибровочные бозоны, — о которых мы поговорим подробнее в гл. 7, где я детальнее рассмотрю все элементы Стандартной модели.

Никто не знает, почему существуют тяжелые частицы Стандартной модели. Вопросы о цели их существования, той роли, которую они играют в окончательной теории, о том, почему их массы столь отличны от масс составных частей более знакомого вещества, являются некоторыми из важнейших загадок, с которыми сталкивается Стандартная модель. И это лишь часть того, на что не может ответить Стандартная модель. Почему, например, имеются четыре силы, а не больше? Могут ли существовать другие силы, которые мы до сих пор не обнаружили? И почему гравитация настолько слабее других известных сил?

В Стандартной модели остается открытым и более теоретический вопрос, который надеется разрешить теория струн: каким образом мы должны самосогласованно объединить квантовую механику и гравитацию на всех масштабах расстояний? Этот вопрос отличается от других тем, что он касается не наблюдаемых в данное время явлений, а внутренних ограничений физики частиц.

Оба типа остающихся без ответа вопросов, которые касаются как наблюдаемых явлений, так и чисто теоретических проблем, дают нам основания выйти за рамки Стандартной модели. Несмотря на мощь и успехи Стандартной модели, мы уверены, что более фундаментальная структура ожидает своего открытия, а поиск более фундаментальных принципов будет вознагражден. Как изящно заметил на страницах «Нью-Йорк Таймс» композитор Стив Райх (проводя аналогию с той пьесой, которую он сочинял): «Сначала были просто атомы, затем появились протоны и нейтроны, после них — кварки, а теперь мы говорим о теории струн. Похоже, что каждые 20, 30, 40, 50 лет открывается люк, и перед нами предстает следующий уровень реальности».

В экспериментах на работающих и строящихся коллайдерах уже не ищут ингредиенты Стандартной модели, они уже все найдены. Стандартная модель изящно организует эти частицы по их взаимодействиям, так что сейчас известен полный набор частиц этой модели. Вместо этого экспериментаторы ищут частицы, которые могут оказаться еще интереснее. Современные теоретические модели включают составные части Стандартной модели, но добавляют новые элементы для решения ряда вопросов, оставшихся в Стандартной модели нерешенными. Мы надеемся, что текущие и будущие эксперименты дадут нам ключи, которые позволят разобраться с этими вопросами и открыть истинную, основополагающую природу вещества.

Хотя у нас есть кое-какие экспериментальные и теоретические догадки о природе более фундаментальной теории, мы вряд ли узнаем, каково правильное описание природы, пока ответ не дадут эксперименты при высоких энергиях (которые исследуют малые расстояния). Как мы увидим позже, теоретические соображения говорят, что эксперименты в следующем десятилетии почти наверняка откроют что-то новое. Возможно, это не будет явное свидетельство в пользу теории струн, которое очень трудно добыть, но, может быть, мы увидим что-то экзотичное, вроде новых взаимосвязей в пространстве-времени, или новых, но до сих пор невидимых дополнительных измерений — новые явления, характерные для теории струн, а также других теорий в физике частиц. И несмотря на широкий диапазон нашего коллективного воображения, эти эксперименты также могут обнаружить нечто, о чем никто из нас и не думал. Мои коллеги и я с любопытством ожидают, что бы это могло быть.

Мы знаем, что та структура вещества, которую мы только что обсудили, есть результат важнейших физических открытий прошлого века. Эти грандиозные успехи существенны для любой более всеобъемлющей теории мира, которую мы хотели бы построить, и сами по себе ознаменовали крупные достижения.

Начиная со следующей главы, мы сделаем обзор этих открытий. Теории вырастают из наблюдений и недостатков предшествующих теорий, так что вы сможете лучше понять роль современных достижений, если познакомитесь с выдающимися успехами более ранних эпох. На рис. 34 показаны связи между теориями, которые мы будем обсуждать. Мы увидим, как новые теории вырастали на уроках старых теорий, и как новые теории заполнили пробелы, обнаруженные только после того, как были завершены старые теории.

Мы начнем с двух революционных идей первых лет двадцатого века — теории относительности и квантовой механики, с помощью которых была установлена форма Вселенной и содержащихся в ней тел, а также состав и структура атома. Затем мы рассмотрим Стандартную модель физики частиц, развитую в 1960-1970-е годы для предсказания взаимодействий элементарных частиц, с которыми мы только что познакомились. Наконец, мы познакомимся с наиболее важными принципами и понятиями физики частиц: симметрией, нарушением симметрии и зависимостью физических величин от масштаба, с помощью которых мы узнаем многое о том, как самые элементарные компоненты вещества образуют наблюдаемую нами структуру.

Однако, несмотря на большие успехи, Стандартная модель физики частиц оставляет без ответа многие фундаментальные вопросы, которые настолько важны, что их решение позволит проникнуть в структуру строительных элементов нашего мира. В гл. 10 будет рассмотрен один из самых интересных и загадочных механизмов Стандартной модели: происхождение масс элементарных частиц. Мы увидим, что для объяснения массы известных частиц и слабости гравитации почти наверняка потребуется более глубокая физическая теория, чем Стандартная модель.

Подобные проблемы физики частиц исследуются в моделях с дополнительными измерениями, но при этом также используются идеи теории струн. Обсудив основы физики частиц, мы перейдем к фундаментальные понятиям и принципам теории струн. Мы не хотим выводить модели непосредственно из теории струн, но эта теория содержит ряд элементов, которые используются при разработке моделей с дополнительными измерениями.

Этот обзор охватывает много теоретических положений, так как анализ дополнительных измерений связывает между собой многие теоретические достижения на двух главных берегах физики частиц — создании моделей и теории струн. Знакомство с многими наиболее интересными современными достижениями в этих областях поможет вам лучше понять мотивацию и методы, лежащие в основе развития моделей с дополнительными измерениями.

Однако, если вы хотите быстрее продвинуться вперед, я заканчиваю каждую из обзорных глав маркированным списком важнейших понятий, на которые мы будем ссылаться далее, когда вернемся к созданию моделей с дополнительными измерениями. Маркеры будут служить коротким путем, резюме, если вы захотите пропустить главу или захотите сфокусировать внимание на материале, к которому мы обратимся далее. Иногда я буду ссылаться и на вопросы, не отмеченные маркером, но эти маркеры будут давать обзор ключевых идей, существенных для главных результатов в оставшейся части книги.

В гл. 17 мы приступаем к исследованию миров с дополнительными измерениями — теориям, в которых предполагается, что материя, из которой состоит наша Вселенная, сосредоточена на бране. Идеи мира на бране позволяют глубже проникнуть в общую теорию относительности, физику частиц и теорию струн. В разных мирах на бране, которые я опишу, делаются разные предположения и объясняются разные явления. Я суммирую конкретные свойства каждой модели и отмечаю их маркером в конце этих глав. Мы до сих пор не знаем, какая из этих идей правильно описывает природу. Однако вполне возможно, что мы в конце концов обнаружим, что браны являются частью космоса, а мы, наряду с другими параллельными вселенными, прикованы к ним.

Одна вещь, которую я поняла, проводя эти исследования, — Вселенная часто обладает большим воображением, чем мы. Иногда свойства Вселенной оказываются настолько неожиданными, что мы только по случайности натыкаемся на них. Открытие таких сюрпризов может быть ошеломляющим. Оказывается, что известные нам физические законы имеют потрясающие следствия.

Приступим теперь к изучению того, что собой представляют эти законы.