Вселенная.Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Мы уже отмечали, что по большей части тяжелые частицы при всяком удобном случае распадаются на более легкие. Странные кварки имеют то же обыкновение. Однако есть вероятность, что гипер-ядра, содержащие один или два странных кварка, окажутся легче обычных ядер. Не верите? Как выяснилось, лишь 2% массы обычного протона составляют u-кварки и d-кварки. Все остальное получается из энергии — энергии движения кварков и энергии взаимодействия между кварками и глюонами.

Не исключено, что гиперядра в БАК окажутся способны образовывать страпельки (состоящие из примерно равного количества странных кварков, u-кварков и d-кварков). Все это довольно-таки спекулятивно, поскольку странные кварки живут так мало, что не доступны никаким реальным экспериментам. Мы даже не знаем, что будет, если вводить странные кварки в обычную материю. В результате получилось огромное количество самых разнообразных теорий.

Некоторые из этих теорий абсолютно апокалиптичны. Их создатели и сторонники боятся, что стоит нам получить одну страпельку, и она свяжется с обычной материей, а обычная материя превратится в странную материю с меньшей энергией. Это будет происходить неопределенно долго, а в итоге планета и всё на ней погибнет. По случайному совпадению именно этот сценарий конца света подробно освещен в фильме «Возвращение Супермена», только вместо странной материи там криптонит63.

* Если вас интересуют такого рода сценарии, рекомендуем вам «Колыбель для кошки» Курта Воннегута и горсточку валиума.

Это и правда страшновато — с той лишь поправкой, что никаких страпелек, судя по всему, не существует. Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Врукхавенской национальной лаборатории сталкивает тяжелые ионы, что очевидно из названия. И никаких свидетельств существования страпелек там не обнаружили. От столкновения космических лучей страпельки тоже не получаются.

Так что спите спокойно. Физики часто придумывают устройства, которые способны уничтожить планету, но гигантская круглая дырка в земле к ним не относится.

Пока что мы достаточно твердо знаем, что мы ожидаем получить в БАК. Подавляющее большинство физиков несказанно удивятся, если частица Хиггса не будет обнаружена. Нам достоверно известно, что БАК не устроит нам конец света, а стандартная модель — не венец научной мысли. Почувствуйте привкус грядущего.

Неважно, кто вы — «крепкий орешек» от физики или всего лишь любитель, который краем уха прислушивается к новостям с передовой науки,— наверняка вы что-то слышали о так называемой теории струн. Теория струн разработана для того, чтобы объяснить несколько загадочных явлений, о которых мы до сих пор намеренно не упоминали64.

* Миссис Этель Кранцтон (81 год), няня из города Белдинга в штате Мичиган, независимо разработала теорию струн, чтобы объяснить безобразные узлы, образующиеся с изнанки ее вышивок. Рукодельницы всего мира с восторгом приняли идею миссис Кранцтон, однако ученые отвергли ее как «путаную и неряшливую».

Дело в том, что сила тяжести радикально отличается от остальных трех фундаментальных сил во Вселенной.

Сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия требуют частицу-переносчик, и в каждом случае мы экспериментально обнаружили эти частицы. Однако теория гравитации — общая теория относительности — не просто не нуждается в гравитоне: до сих пор ученые никакого гравитона не обнаружили. Более того, странно, что теория, стоящая за материальными частицами (кварками, электронами и так далее), так сильно отличается от теории переносчиков взаимодействия (фотонов, глюонов и им подобных). Нам было бы очень приятно, если бы нашлась теория унификации, в идеале — «Теория Всего» (или ТВ, как говорят самые крутые пацаны).

Теория струн, несмотря на свою незавершенность,— главный претендент на роль ТВ, а ее центральный нападающий, как вы, наверное, уже поняли,— так называемая струна. Представьте себе струну как резинку — только очень тоненькую, диаметром в 10-35 м. И что же это за струны? Вообще говоря, они составляют все сущее.

Вы должны понимать, что стандартная модель полагает, будто все частицы, о которых мы говорили в этой главе,— кварки, электроны, фотоны и так далее — бесконечно малы. Это точки в буквальном смысле слова. Стандартная модель не объясняет, почему у одной частицы одна масса и заряд (и прочие свойства), а у другой — другие.

Теория струн говорит, что единственная причина, по которой частицы выглядят как точки,— то, что мы к ним недостаточно пристально присматриваемся. На самом деле «точечные частицы» — это крошечные петли, которые постоянно вибрируют. Если вам это что-то смутно напоминает, так и надо. Именно это мы наблюдали в квантовой механике, когда видели, что все что угодно — фотоны, электроны, вакуумные поля — постоянно осциллирует, колеблется туда-сюда.

Чем сильнее струна вибрирует, тем она массивнее — не забывайте, что равенство Е = тс2 справедливо в обе стороны. Другие свойства осцилляции определяют все остальные свойства и качества частицы. Чтобы объяснить все свойства частиц, которые мы наблюдаем, предполагается, что струны вибрируют не только в тех трех измерениях, о которых нам известно в нормальной жизни. Это не значит, что струны не существуют,— это значит, что нам нужно больше измерений.

Поймите нас правильно. Мы не можем переместиться в более высокие измерения. Для начала нас там сплющит. Многие, если не все, дополнительные пространственные измерения очень малы — гораздо меньше» чем мы сможем обнаружить в БАК. Даже если бы мы умудрились придумать, как отправиться в эти скрытые измерения, они повели бы себя примерно как вселенная Пакмана65, и мы мгновенно вернулись бы туда, откуда начали.

Эх вы, желторотые! «Пакман» — это такая обалденная видеоигра 1980-х годов, в которой желтый круг с пастью пожирал маленькие белые кружочки. Если он исчезал в туннеле в левой стороне экрана, то появлялся справа. Еще там были привидения.

Привести теорию струн в соответствие с законами физики в нашей Вселенной, опираясь только на три измерения, никак не удается. Теории возникали одна за другой, количество потенциальных измерений росло и росло, и наконец в 1995 году Эдвард Уиттен из Института передовых исследований в Принстоне предложил нынешнего фаворита. По его версии, так называемой М-теории, мы живем в здоровенной вселенной аж с 10 измерениями.

Теория струн во многих отношениях очень многообещающа. Она предоставляет нам основу для объединения в единую теорию всех четырех фундаментальных сил. Она описывает силы и частицы с разных сторон одной и той же физики. Не исключено, что она даже позволит разобраться в природе пространства и зарождении Вселенной, как мы увидим в главах 6 и 7 соответственно.

С другой стороны, возникают и осложнения. Во-первых, проверить теорию струн очень трудно. Поскольку масштабы так малы, у нас практически нет надежды доказать теорию струн при помощи БАК или других экспериментов, которые мы будем способны поставить в обозримом будущем. Еще одна трудность — теория струн отвечает не на все вопросы теории частиц, оставшиеся пока без ответа.

В стандартной модели есть еще один большой провал, который теория струн даже не пытается заполнить. Как примирить две великие теории XX века — квантовую механику и общую теорию относительности, нашу теорию гравитации? Эти теории говорят нам «правду» о том, что происходит на микроскопическом уровне и на уровне очень сильной гравитации соответственно. Но что происходит в обстановке вроде черной дыры или на заре времен, когда, как полагают, играть роль может и то и другое?

Задумайтесь об этом. Как мы видели в главе 2, практически все аспекты физики порабощены неопределенностью — это и фотонная энергия вакуума, и движение электронов, и пути фотонов. Квантовая механика вплетена в три негравитационные силы. Сходство между ними послужило причиной того, что электромагнитное и слабое взаимодействия посчитали единым электрослабым взаимодействием. Еще оно стало причиной того, что физики выдвинули целый ряд соперничающих между собой «Великих единых теорий», где электрослабое взаимодействие объединяется с сильным. Гравитация стоит особняком. Как ни странно, общая теория относительности не носит ни следа случайности, которая проявляется в остальных трех силах. Нам бы очень хотелось получить в свое распоряжение «теорию квантовой гравитации».