Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Физики-теоретики думают о существовании еще более маленьких объектов, настолько маленьких, что ни один ускоритель, который мы можем себе представить, не сможет их обнаружить. Различные теории великого объединения рассматривают три силы, действующие между частицами, как разновидности одной и той же простой силы — силы, про- Запутавшийся в суперструнах
279
явления которой можно различить только в очень маленьком масштабе, потому что она зависит от существования очень тяжелых и невероятно крошечных новых частиц, которые в триллион раз меньше чем W-и Z-частицы.
На расстояниях, еще в 100000 раз меньших, порядка 10~33 см, мы наконец-то достигаем естественной конечной точки. Здесь господствующей силой становится квантовая гравитация (гравитация, которая, по мнению физиков, должна существовать в субатомном мире, но не может быть обнаружена), а единой теории, которая бы ее описывала, не существует. На данный момент, эта длина Планка определяет самую нижнюю ступеньку космической лестницы. Допустим, что каждая ступенька соответствует увеличению размера в 10 раз, тогда наша лестница насчитывает 52 ступеньки через мир дюймов и футов от длины Планка до размера всей видимой Вселенной.
На протяжении большей части лестницы ученые достаточно хорошо знают, что они делают и к чему стремятся. Химики, например, согласны с тем, что их дисциплина закрыта в том смысле, что все ее основные принципы известны. Это не значит, что в ней не осталось сложных проблем, которые еще ждут своего решения, и не осталось открытий, которые еще предстоит сделать; просто основные правила этой науки установлены: атомы взаимодействуют друг с другом по законам квантовой механики — законам, справедливость которых уже неразумно подвергать сомнениям.
Совершенно фантастические вещи происходят на противоположных концах нашей космической лестницы. Космология и физика частиц — вот открытые дисциплины; здесь мы действительно не знаем всех правил игры. Как и почему Вселенная эволюционировала именно в такое состояние, в каком она сейчас находится, и как она будет вести себя в отдаленном будущем? Будет ли она и дальше непрерывно расширяться и бесконечно остывать (большое охлаждение) или однажды она изменит направление, сожмется и, в конечном итоге, взорвется (большое сжатие)?
Точно такая же история и на другом конце лестницы. Так называемая стандартная теория физики частиц описывает 17 известных частиц и их поведение. Это частицы двух видов: фермионы, или материальные частицы (включающие фотоны, нейтроны, электроны и различные кварки), и бозоны (фотоны, глюоны, а также W- и Z-частицы), переносящие электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия между фермионами. Но действительно ли это самые элементарные виды материи? Не существует экспериментальных данных, которые противоречили бы стандартной теории, как не существует и данных, которые указывали бы на существование хоть какой-то структуры, лежащей вне области, на 280
Запутавшийся в суперструнах 280
которую она распространяется. И все же стандартная теория не в состоянии ответить на самые острые вопросы, важнейший из которых касается того, каким образом на самой нижней ступеньке космической лестницы работает квантовая гравитация. Таким образом, физика элементарных частиц либо подошла к любопытному перекрестку, либо зашла в тупик, выхода из которого нет.
Гравитация является доминирующей силой на более высоких ступеньках космической лестницы, где ее слабость компенсируется одним только количеством атомов, дружно проявляющим этим силу. Она связывает звезды в галактики и сохраняет Солнце в целости, а его семейство планет удерживает на их орбитах. Она не отпускает Луну от Земли и удерживает на своих местах океаны и атмосферу.
Но когда дело доходит до объектов, размер которых достигает нескольких километров, гравитационная сила должна уступить место электромагнитной. Гравитация пытается, но не может остановить рост дерева или образование горы. Каждый раз, когда мы просыпаемся утром, каждый раз, когда весной расцветает цветок, проявляется превосходство электромагнитной силы. Ее величие простирается от объектов размером с материк до слонов, микробов и составляющих их атомов.
Спускаясь по космической лестнице, электромагнитное взаимодействие сменяется сильным. В своей узко ограниченной области это взаимодействие всесильно; оно удерживает вместе протоны и нейтроны, образуя атомные ядра, в противовес электромагнитной силе, которая тут же разделила бы эти ядра. Кварки, составляющие протоны и нейтроны, также связаны сильным взаимодействием. Но всего лишь через четыре ступеньки сильное взаимодействие уступает место слабому, в результате которого частицы и ядра переживают самопроизвольный распад, испуская энергию.
Мы достигли той ступеньки лестницы, которая соответствует самым высокоэнергетическим ускорителям, имеющимся в нашем распоряжении, а до длины Планка осталось еще 17 ступенек. Наше знание физики этой области достаточно скудно и состоит, главным образом, из гипотез. Из-за потрясающе успешного объяснения стандартной теорией всех субатомных взаимодействий, которые мы в состоянии обнаружить, и из-за отсутствия в последние годы удивительных новых открытий некоторые теоретики полагают, что там вообще не происходит ничего особо интересного. Если верить этой философии отчаяния, то нас уже не ожидают никакие сюрпризы: мы не увидим ни интересных частиц, ни новых сил, ни любопытных явлений. Неужели мы действительно вступили в огромную пустыню, которая простирается от энергий в два триллиона электрон-вольт до самой длины Планка, а возможно, и дальше? Запутавшийся в суперструнах
