Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Видимая Вселенная состоит из всего, что доступно для наблюдения. Принципиальное ограничение возникает из-за конечной скорости света, которая (как мы полагаем) является предельной скоростью передачи информации, и из-за того, что прошло конечное время с момента Большого взрыва, который (как мы полагаем) является событием, раньше которого нельзя ничего увидеть. Ограниченные конечной скоростью и конечным временем, мы осознаем, что имеем доступ не дальше некоторого конечного расстояния, так называемого горизонта[96]. Надо отметить два момента:

• Горизонт растет по мере того, как время, прошедшее после Большого взрыва, становится больше. Таким образом, видимая Вселенная была меньше в прошлом, и мы можем ожидать, что она станет больше в будущем.

• Если мы обнаружим, что скорость света не является фундаментальным ограничением для передачи информации, или если мы научимся видеть то, что было до Большого взрыва, нам придется заново обдумать, что мы подразумеваем под видимой Вселенной.

Видимая Вселенная, которую мы видим сегодня, кажется примерно одинаковой повсюду. Астрономы находят звезды того же типа, организованные в виде примерно таких же типов галактик, повинующихся физическим законам такого же типа, как бы далеко и в каком бы направлении они ни смотрели[97]. Если мы предположим, что так и будет продолжаться дальше, по мере роста горизонта в будущем, мы придем к тому, что обычно называют Вселенной. Вселенная в этом смысле является консервативным логическим распространением нашего прошлого опыта наблюдения видимой Вселенной на неопределенное будущее.

Современная физика, однако, дала основания думать, что материальный мир может существовать в качественно различных формах, или фазах, примерно в таком же духе, как вода может существовать в виде льда, жидкости или пара. В этих отличающихся фазах пространство пронизано другими полями (или теми же самыми полями с другими интенсивностями). (См. Вакуум.) Поскольку эти поля в значительной степени определяют свойства материи, которая в них движется, эти различные фазы в сущности реализуют разные законы физики. Если такие отличающиеся области пространства существуют, то «Вселенная», как мы определили ее, – это не вся полнота действительности. Мы называем всю полноту действительности множественной Вселенной, или мультивселенной.

Идея о том, что существует мультивселенная, так что законы физики, которые мы наблюдаем, являются отчасти лишь особенностью того места, где нам случилось возникнуть, играет заметную роль в антропных аргументах.

Мы говорим, что музыкальные звуки находятся в гармонии или являются гармоничными, когда они хорошо звучат вместе. Происхождение этого психологического явления в физиологии в настоящее время остается неясным; в основном тексте схематично описана одна из возможных теорий. Музыкальное понятие о гармонии часто бывает расширено, по примеру Пифагора, до более общего понятия «о том, что хорошо сочетается».

На искривленной поверхности может не быть никаких прямых линий, но геодезические линии являются для них самой близкой заменой. Геодезическая линия имеет свойство предоставлять кратчайший путь между любыми двумя ее соседними точками. Мы должны ограничиться «соседними» точками, поскольку после длительного «путешествия» геодезическая линия может вновь пройти рядом со своими более ранними частями, и тогда может существовать более короткий путь, идущий наперерез ее длинной траектории.

Пример: геодезические линии на сфере – это ее большие круги, получаемые сечением сферы плоскостью, проходящей через ее центр. Следовательно, экватор является большим кругом – и геодезической линией – на Земле, так же как и все меридианы. Трансполярные авиарейсы приблизительно следуют геодезическим линиям для экономии топлива.

Понятие геодезической линии, определенное таким образом, не ограничено поверхностями. Мы можем найти геодезические линии в искривленных пространствах с большим количеством измерений, а также – при соответствующем определении расстояния – в пространстве-времени.

Средний электрический заряд каждой сущности Главной теории называется гиперзарядом. (Эти сущности определяются в главе «Квантовая красота III», часть 4.)

Существует сложная связь между слабым взаимодействием, гиперзарядом и электромагнетизмом, которую я обошел вниманием в основном тексте. Потребовалось бы несколько страниц сухого текста, чтобы ее объяснить, и это объяснение пролило бы не слишком много света на наши основные вопросы. В примечаниях в конце книги я даю две ссылки, воспользовавшись которыми, вы сможете найти больше информации на эту тему.

В этой книге Главной теорией называются господствующие теории сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий, воплощающие принципы квантовой теории и локальной симметрии (включая общую теорию относительности – локальную версию галилеевой симметрии).

Главная теория, или часть ее, не включающая гравитацию, часто называется Стандартной моделью. По причинам, которые я объяснил в тексте книги, ей нужно лучшее название.

(Почему кому-то может прийти в голову исключать гравитацию при определении Главной теории? Часто говорят, что существует фундаментальный конфликт между квантовой механикой и общей теорией относительности, а иногда также заявляют, что этот конфликт влечет за собой парализующий физику кризис. Оба этих утверждения являются преувеличением, а второе явным образом вводит в заблуждение. Например, астрофизики регулярно сочетают общую теорию относительности и квантовую механику в своей работе, не встречая серьезных затруднений.

Общую теорию относительности можно ввести в уравнения Главной теории особым, искусственным способом, используя тот же самый глубокий принцип – локальную симметрию, – который мы привыкли использовать для остальных взаимодействий. Правила квантовой теории при этом продолжают действовать.

Определенная таким образом Главная теория не способна дать убедительные ответы на мысленные эксперименты касательно некоторых аспектов физики черных дыр, и ее уравнения становятся сингулярными и непригодными, когда мы осуществляем экстраполяцию к началу космологического Большого взрыва, а значит, это не есть Теория всего. Но мы и так это знаем благодаря проблемам семейств, темной энергии, темной материи и некоторым другим. Тем не менее это последовательная, фальсифицируемая, сильная и экономная теория. Вполне возможно и разумно включить общую теорию относительности в Главную теорию, и я это сделал.)

Мы говорим, что симметрия физического закона является глобальной, если она требует выполнения одного и того же преобразования в каждой точке (и в любой момент времени) в пространстве-времени. Локальная симметрия, в отличие от нее, допускает преобразования, которые изменяются от точки к точке в четырехмерном пространстве-времени.

Глюоны – это наименьшие единицы, или кванты, глюонного флюида.

Глюонный флюид – это активная, заполняющая пространство субстанция, ответственная за сильное взаимодействие. Глюонное поле в некоторой точке – это мера воздействия глюонного флюида в этой точке, усредненная по достаточно малому объему пространства и отрезку времени.

Пока она действует между элементарными частицами, гравитация является гораздо более слабым взаимодействием по сравнению с тремя остальными взаимодействиями Главной теории. Однако остальные взаимодействия реагируют на заряды, которые могут иметь разные знаки, и поэтому имеют склонность взаимно уничтожаться, когда рядом оказывается множество частиц. Гравитация же реагирует главным образом на энергию и скорее приобретает бо́льшую силу, когда множество частиц оказывается рядом. В небесной механике гравитация является преобладающим взаимодействием.