Силы природы. Частички
Силы природы. Частички
Известные нам на сей день законы физики содержат много числовых величин, схожих заряду электрона либо отношению масс протона и электрона, которые мы не можем — по последней мере, пока — вывести из теории. Мы обязаны определять их опытным методом и подставлять в уравнения. Одни именуют эти числа базовыми константами, другие — подгоночными коэффициентами.
Но какой бы точки зрения вы ни придерживались, остается очень приметным фактом то, что значения схожих чисел будто бы специально выбраны так, чтоб сделать вероятным развитие жизни. К примеру, если б заряд электрона был малость другим, это нарушило бы баланс электрических и гравитационных сил в звездах и они или не смогли бы спаливать водород и гелий, или закончили бы взрываться. Можно возлагать, что в конце концов будет сотворена полная, поочередная, объединенная теория, которая вберет в себя все личные теории как приближения и которую не надо будет подгонять под наблюдаемые факты подбором случайных неизменных вроде величины заряда электрона.
Поиски таковой теории известны как работа по «объединению физики». Эйнштейн в свои последние годы издержал много времени, неудачно пытаясь нащупать подступы к объединенной теории, но час ее тогда еще не пробил: существовали личные теории гравитационного и электрического взаимодействий, но сильно мало было понятно о ядерных силах. Не считая того, Эйнштейн отказался признавать действительность квантовой механики, невзирая на ту важную роль, которую сыграл в ее развитии. Но принцип неопределенности, похоже, является базовым свойством Вселенной, в какой мы живем. Потому безбедная объединенная теория обязательно должна включать в себя этот принцип.
Перспективы сотворения таковой теории сейчас смотрятся намного реалистичнее, так как мы еще больше знаем о Вселенной. Но следует остерегаться лишней самонадеянности — нас уже посещали неверные озарения! Сначала двадцатого столетия, к примеру, числилось, что все можно разъяснить в определениях параметров непрерывной материи, таких как упругость и теплопроводимость. Открытие строения атома и принципа неопределенности положили решительный конец этому убеждению. И вновь, в 1928 г ., лауреат Нобелевской премии физик Макс Борн произнес группе гостей Геттингенского института: «Физике, какой мы ее знаем, через 6 месяцев придет конец». Его уверенность основывалась на недавнешнем открытии Дирака — уравнении, которое обрисовывало электрон. Тогда считали, что схожее уравнение будет выведено и для протона, единственной известной в то время другой частички, и это станет концом теоретической физики. Но открытие нейтрона и ядерных сил перечеркнуло данную возможность. Невзирая на произнесенное, есть основания для аккуратного оптимизма: может быть, наши поиски абсолютных законов природы все таки близятся к окончанию.
Квантовая механика подразумевает, что носителями всех сил, другими словами взаимодействий меж частичками материи, тоже являются частички. Таким макаром, частичка материи, скажем электрон либо кварк, испускает частичку, выступающую носителем взаимодействия. Отдача от ее испускания изменяет скорость частички материи, подобно тому как выстрел принуждает пушку откатываться вспять. Частичка—переносчик взаимодействия сталкивается с другой частичкой материи и поглощается ею, изменяя ее движение. В конечном счете испускание и поглощение дает тот же самый итог, как если б была сила, действующая меж 2-мя частичками материи (рис. 33).
Рис. 33. Обмен частичками.
Согласно квантовой теории силы появляются вследствие обмена частичками, выступающими переносчиками взаимодействий.
Каждое взаимодействие переносится частичками особенного типа. Если частички, переносящие взаимодействие, владеют большой массой, это затрудняет их образование и обмен ими на значимых расстояниях. Так что взаимодействия, носителями которых они выступают, имеют относительно маленький радиус деяния. И напротив, при переносе взаимодействия частичками, не имеющими своей массы, радиус деяния силы значительно возрастает. Частички—переносчики взаимодействий, которыми обмениваются частички материи, именуются виртуальными, так как, в отличие от «реальных», их нельзя конкретно найти с помощью сенсора частиц. Мы знаем, но, что они есть благодаря порождаемому ими и поддающемуся измерению эффекту: они порождают взаимодействие меж частичками материи.
Частички переносчики можно поделить на четыре категории. Необходимо выделить, что это деление на четыре класса является искусственным, оно принято для удобства построения личных теорий и не несет внутри себя более глубочайшего смысла. Большая часть физиков уповают выйти в конце концов на объединенную теорию, которая представит все четыре взаимодействия как различные нюансы единственного взаимодействия. Пожалуй, многие согласятся, что это основная цель современной физики.
Первую категорию составляет гравитационное взаимодействие. Это универсальная сила, другими словами любая частичка испытывает на для себя действие гравитации соразмерно собственной массе либо энергии. Гравитационное притяжение можно представить как обмен виртуальными частичками, именуемыми гравитонами. Гравитация — самая слабенькая из 4 сил, намного слабее других; она так слаба, что мы вообщем не замечали бы ее, если б не два ее особенных характеристики: она может действовать на огромных расстояниях, и она всегда притягивает. Это значит, что самые слабенькие гравитационные силы меж отдельными частичками 2-ух огромных тел типа Земли и Солнца способны складываться в суммарную, очень существенную силу. Три другие силы или короткодействующие, или могут как притягивать, так и отталкивать, а поэтому обнаруживают тенденцию к обоюдному погашению.
Последующая категория — электрическое взаимодействие, возникающее меж электрически заряженными частичками, такими как электроны и кварки, но не влияющее на нейтральные частички типа нейтрино. Электрическое взаимодействие намного посильнее гравитации: электронные силы меж 2-мя электронами примерно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с сорока 2-мя нулями) раз посильнее гравитационных. Но электронный заряд бывает 2-ух типов: положительный и отрицательный. Меж 2-мя положительными либо 2-мя отрицательными зарядами появляется отталкивание, а меж положительным и отрицательным — притяжение.
Огромное тело вроде Земли либо Солнца содержит практически равное число положительных и отрицательных зарядов. Таким макаром, притяжение и отталкивание меж отдельными частичками практически уравновешивают друг дружку и результирующая электрическая сила очень невелика. Но в масштабах атомов и молекул электрические силы доминируют. Электрическое притяжение меж негативно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра держит электроны на орбите вокруг ядра атома, так же как гравитационное притяжение принуждает Землю обращаться вокруг Солнца. Электрическое притяжение принято разъяснять обменом огромным количеством частиц, именуемых фотонами. Снова таки эти фотоны — виртуальные частички. Но, когда электрон перемещается с одной орбиты на другую, поближе к ядру, высвобождается энергия и испускается реальный фотон — при подходящей длине волны его может регистрировать человечий глаз либо таковой сенсор фотонов, как, к примеру, фотопленка. И напротив, когда реальный фотон сталкивается с атомом, он может переместить электрон на более удаленную от ядра орбиту. На это уходит энергия фотона, и поэтому он поглощается.
3-я категория именуется слабеньким ядерным взаимодействием. В ежедневной жизни мы не сталкиваемся с ним конкретно. Слабенькое взаимодействие трепетно за радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер. Природа слабеньких ядерных сил оставалась не полностью ясной до 1967 г ., когда Абдус Салам из Имперского института в Лондоне и Стивен Вайнберг из Гарварда независимо друг от друга предложили теории, которые соединяли воединыжды слабенькое взаимодействие с электрическим, подобно тому как приблизительно веком ранее Максвелл соединил учения об электричестве и магнетизме. Теоретические пророчества подтвердились так точно, что в 1979 г . Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике совместно с еще одним ученым из Гарварда, Шелдоном Глэшоу, который тоже предложил похожую объединенную теорию электрических и слабеньких ядерных сил.
В четвертую категорию заходит самое массивное из всех сильное ядерное взаимодействие. Оно также не имеет прямого отношения к нашему ежедневному опыту, но это та сила, которая скрепляет б о льшую часть окружающего нас мира. Она держит кварки снутри протонов и нейтронов и не дает протонам и нейтронам покинуть ядро атома. Если б не она, отталкивание положительно заряженных протонов порвало бы все атомные ядра во Вселенной, не считая ядер водорода, состоящих из 1-го протона. Переносчиком сильного ядерного взаимодействия считается глюон — частичка, которая ведет взаимодействие только сама с собой и с кварками.
Успешное объединение электрического и слабенького ядерного взаимодействий подтолкнуло к огромному количеству попыток присовокупить к ним концепцию сильного ядерного взаимодействия в рамках доктрины, нареченной «великим объединением». В этом заглавии есть толика преувеличения: получающиеся теории не такие уж величавые и не полностью объединенные, раз они не включают гравитацию . Не считая того, эти объединенные теории не назовешь полными, так как они содержат огромное количество характеристик, велечину которых нельзя предсказать на теоретическом уровне — ее приходится подбирать экспериментально. Но, так либо по другому, эти теории могут стать еще одним шагом к полной, исчерпающей объединенной теории.
Основная трудность при поиске теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями, заключается в том, что общая теория относительности, описывающая гравитацию, является единственной неквантовой теорией: она не воспринимает во внимание принцип неопределенности. Личные теории, описывающие все другие взаимодействия, основываются на квантовой механике, и потому для объединения с ними теории гравитации требуется отыскать метод, позволяющий включить принцип неопределенности в общую теорию относительности, другими словами сконструировать квантовую теорию гравитации — задачка, которую пока никто не сумел решить.
Сделать квантовую теорию гравитации оттого так тяжело, что в согласовании с принципом неопределенности даже «пустое» место заполнено виртуальными парами частичка античастица. В неприятном случае, если б «пустое» место было вправду совсем пустым, все поля — гравитационное, электрическое и другие — могли быть в точности равны нулю. Но величина поля и скорость ее конфигурации во времени связаны меж собой так же, как положение частички и ее скорость (другими словами изменение положения). Из принципа неопределенности вытекает, что чем поточнее мы знаем одну из этих величин, тем наименее точны наши познания о другой. Если б поле в пустом пространстве было в точности равно нулю, оно имело бы и точную (нулевую) величину и точную (снова таки нулевую) скорость конфигурации, что противоречило бы принципу неопределенности. Таким макаром, должен существовать некий малый уровень неопределенности либо квантовых флуктуаций величины поля.
Эти колебания можно рассматривать как пары частиц, которые совместно возникают в некий момент, разлетаются, а потом вновь сближаются и аннигилируют (рис. 34). Это виртуальные частички, подобные тем, что служат переносчиками взаимодействий. В отличие от реальных частиц, их нереально конкретно следить при помощи сенсоров частиц. Но порождаемые ими косвенные проявления, такие как маленькие конфигурации энергии электрических орбит, поддаются измерению и поразительно точно согласуются с теоретическими пророчествами. В случае флуктуаций электрического поля идет речь о виртуальных фотонах, а в случае флуктуаций гравитационного поля — о виртуальных гравитонах. Но флуктуации полей слабенького и сильного взаимодействий представляют собой виртуальные пары частиц вещества, таких как электроны либо кварки. В схожих виртуальных парах один элемент будет частичкой, а другой — античастицей (в случае света и гравитации частички и античастицы схожи).
Рис. 34. Фейнмановская диаграмма виртуальной пары частичка античастица.
Применительно к электрону принцип неопределенности подразумевает, что в пустом пространстве виртуальные пары частичка—античастица появляются, а потом аннигилируют.
Неувязка в том, что виртуальные частички владеют энергией. И так как существует нескончаемое число пар виртуальных частиц, они практически должны могли быть иметь нескончаемую энергию, а означает — в согласовании с известным уравнением Эйнштейна Е = тс 2 , — и нескончаемую массу. Согласно общей теории относительности это привело бы к такому гравитационному искривлению места, что Вселенная сжалась бы до нескончаемо малых размеров. Но ничего подобного очевидно не происходит! Подобные, по видимому абсурдные, бесконечности появляются и в других личных теориях — сильного, слабенького и электрического взаимодействий, — но для их существует так именуемая процедура перенормировки, которая позволяет избавляться от бесконечностей. Благодаря ей мы и смогли сделать квантовые теории этих взаимодействий.
Перенормировка вводит новые бесконечности, которые математически сокращаются с бесконечностями, возникающими в теории. Но это сокращение не непременно должно быть полным. Можно избрать новые бесконечности так, чтоб при сокращении выходил маленький остаток. Эти остатки именуются перенормированными величинами.
Хотя схожая операция достаточно непонятна исходя из убеждений арифметики, она, кажется, все же работает. Ее применение в теориях сильного, слабенького и электрического взаимодействий дает пророчества, которые неописуемо точно согласуются с наблюдениями. Все же внедрение перенормировки для поисков полной физической теории имеет суровый недочет, так как значит, что массы частиц и силы взаимодействий нельзя предсказать на теоретическом уровне, а следует подгонять под результаты тестов. Пробы применить перенормировку для устранения квантовых бесконечностей из общей теории относительности пока позволили привести к хотимому виду только две величины — силу тяготения и космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в свои уравнения, будучи уверен, что Вселенная не расширяется (см. гл. 7). Как выясняется, их корректировки недостаточно для избавления от всех бесконечностей.
Потому квантовая теория гравитации продолжает предвещать, что некие величины, к примеру искривление места времени, нескончаемы, тогда как на практике они полностью поддаются измерению и оказываются конечными! Ученые издавна подозревали, что данное событие станет преградой на пути включения принципа неопределенности в общую теорию относительности, но в 1972 г . их опаски были в конце концов подкреплены детализированными вычислениями. 4-мя годами позднее было предложено вероятное решение трудности, нареченное «супергравитацией». К несчастью, выяснение того, оставляет ли супергравитация место для каких или бесконечностей, добивалось так сложных и трудозатратных вычислений, что никто за их не взялся. По подготовительным оценкам, даже компу на это потребовались бы годы, и очень высока возможность того, что в подсчеты вкралась бы по последней мере одна ошибка, а возможно, и больше. Так что удостовериться в корректности результата можно было бы исключительно в том случае, если б кто то еще повторил вычисления и получил тот же самый результат, что представлялось очень маловероятным!
Невзирая на эти трудности и на то, что частички, фигурирующие в теориях супергравитации, похоже, никак не соотносились с известными науке частичками, большая часть ученых считало, что супергравитация поддается перенормировке и, возможно, является решением трудности объединения физики. Она казалась лучшим методом соединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Но вот, в 1984 г ., произошел знаменательный поворот в сторону семейства теорий, именуемых теориями струн.
До возникновения теорий струн числилось, что любая из базовых простых частиц может находиться в определенной точке места. В теориях струн фундаментальные объекты не точечные частички, а протяженные. Они имеют длину, но никаких других измерений, подобно струне с нескончаемо малым поперечным сечением. Эти объекты могут иметь концы (так именуемые открытые струны) либо сворачиваться в кольцо (замкнутые струны). Частичка в каждый момент времени занимает одну точку места. 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 припоминает соединение штанин в одной паре брюк . Точно так же одна струна может разделиться на две.
Если простые объекты во Вселенной представляют собой струны, что все-таки такое тогда точечные частички, которые мы, похоже, смотрим в опытах? В теориях струн то, что ранее числилось разными точечными частичками, рассматривается как разные виды волн, распространяющихся по струнам, вроде тех, что пробегают по вибрирующей бечевке воздушного змея. Сами же струны совместно со своими колебаниями так малы, что даже наилучшие наши технологии не способны выявить их форму, поэтому то во всех наших опытах они и ведут себя как крохотные, аморфные точки. Представьте для себя, что вы рассматриваете крохотную пылинку: поблизости либо под лупой, вы сможете узреть, что она имеет некорректную либо даже струноподобную форму, но вот на расстоянии пылинка смотрится лишенной соответствующих черт точкой.
В теории струн испускание либо поглощение одной частички другой соответствует делению либо слиянию струн. К примеру, в физике простых частиц гравитационное воздействие Солнца на Землю разъясняется тем, что частички солнечного вещества испускают гравитоны, частички—переносчики взаимодействия, а частички вещества Земли их поглощают . В теории струн этот процесс представляется Н образной диаграммой, напоминающей соединение труб (теория струн вообщем чем то припоминает водопроводное дело). Две вертикальные палочки буковкы «Н» соответствуют частичкам вещества Солнца и Земли, а горизонтальная перекладина — гравитону, который перемещается меж ними (рис. 35).
Рис. 35. Диаграммы Фейнмана в теории струн.
В теории струн происхождение дальнодействующих сил связывается быстрее с соединением труб, чем с обменом частичками—переносчиками взаимодействий.
Теория струн имеет любопытную историю. Сначало она была сформулирована в конце 1960 х гг. в процессе поисков теории сильного взаимодействия. Мысль состояла в том, что такие частички, как протон и нейтрон, можно рассматривать как колебания струны. Сильное взаимодействие меж частичками соответствовало бы отрезкам струны, соединяющим другие струны, как в сети. Чтоб эта теория предвещала наблюдаемую величину сильного взаимодействия меж частичками, струны должны были прогуляться на резиновые жгуты, натянутые с усилием около 10 тонн.
В 1974 г. Жоэль Шерк из Парижа и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института выпустили статью, в какой проявили, что теория струн может обрисовать природу гравитационного взаимодействия, но только если натяжение струны составит около тыщи миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов тонн (единица с 30 девятью нулями). В обыденных масштабах длины теория струн давала те же пророчества, что и общая теория относительности, но на очень малеханьких расстояниях — меньше тысячной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной толики сантиметра (сантиметра, деленного на единицу с 30 3-мя нулями) — их пророчества расползались. Статье не уделили огромного внимания, но поэтому только, что в тот период большая часть ученых отказались от истолкования сильного взаимодействия в определениях теории струн в пользу теории кварков и глюонов, которая, казалось, куда более соответствовала наблюдениям. Шерк погиб при катастрофических обстоятельствах (он мучился диабетом и впал в кому, когда вокруг не было никого, кто мог бы ввести ему инсулин). Так что Шварц остался практически единственным поборником теории струн, при этом сейчас уже струн с еще более высочайшим предполагаемым натяжением.
В 1984 г . энтузиазм к струнам в один момент возродился, и тому было две предпосылки. С одной стороны, не увенчались особенным фуррором пробы обосновать, что супергравитация не содержит бесконечностей и способна разъяснить существование наблюдаемых нами видов простых частиц. С другой, увидела свет новенькая статья Джона Шварца, на этот раз написанная вместе с Майком Грином из Института царицы Марии в Лондоне. Эта работа демонстрировала, что теория струн способна разъяснить существование экспериментально наблюдавшихся частиц, которые владеют собственного рода прирожденной «леворукостью». (Поведение большинства частиц не поменялось бы, если б экспериментальную установку поменяли ее зеркальным отражением; но поведение данных частиц изменяется. Будто бы они являются левшами либо правшами, а не обладают идиентично обеими руками.) Вроде бы то ни было, огромное число ученых скоро начало работать над теорией струн, и была сотворена ее новенькая версия, которая, казалось, могла разъяснить существование наблюдаемых нами частиц.
Теории струн также ведут к бесконечностям, но считается, что в правильной версии теории они все сократятся (хотя это еще непонятно наверное). Еще серьезнее другая неувязка: теории струн совместимы только с местом временем, имеющим или 10, или 20 6 измерений заместо обыденных 4!
Естественно, наличие у места времени дополнительных измерений сделалось общим местом научной фантастики. Вправду, они дают безупречный метод преодоления ограничений, которые общая теория относительности накладывает на сверхсветовые перемещения и путешествия в прошедшее (см. гл. 10). Мысль состоит в том, чтоб добраться к цели маленьким методом через дополнительные измерения. Это можно представить для себя последующим образом. Представте, что место, в каком мы существуем, имеет только два измерения и изогнуто подобно поверхности якорного кольца либо бублика . Если вы находитесь на внутренней стороне поверхности и желаете добраться в диаметрально обратную точку кольца, вам придется двигаться к цели по кругу на внутренней поверхности кольца. Но если б вы могли выйти в третье измерение, вам удалось бы покинуть поверхность кольца и срезать путь.
Почему мы не смотрим все эти дополнительные измерения, если они вправду есть? Почему нашему восприятию доступны только три пространственных измерения и одно измерение времени? Возможный ответ заключается в том, что другие измерения не похожи на те, к которым мы привыкли. Они свернуты до очень маленького размера, что то вроде одной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной толики сантиметра (10— 30 см ). Это так не достаточно, что просто неприметно для нас: мы закрепляем только одно измерение времени и три измерения места, в каких место время фактически плоское. Чтоб представить для себя, как это выходит, представте поверхность соломинки. Посмотрев на нее с близкого расстояния, вы увидите, что поверхность двумерная. Другими словами положение точки на соломинке описывается 2-мя числами — расстоянием, измеренным повдоль соломинки, и расстоянием, измеренным поперек ее длины, по окружности. Но поперечный размер намного меньше продольного. Вот почему издалече соломинка смотрится лишенной толщины, одномерной и кажется, что задать положение точки на ней можно одним, продольным измерением. Приверженцы теории струн говорят, что аналогичным образом обстоит дело и с местом временем: в ничтожно малых масштабах оно десятимерное и очень искривленное, но в огромных масштабах ни искривления, ни дополнительных измерений не наблюдается.
Если описанная картина верна, это нехорошая новость для людей, мечтающих о галлактических путешествиях: дополнительные измерения, по видимому, очень малы, чтоб вместить галлактический корабль. Но это описание ставит большой вопрос и перед учеными: почему только некие, а не все измерения свернуты в небольшой шарик? Подразумевается, что в юный Вселенной все измерения были очень искривлены. Почему одно временн о е и три пространственных измерения распрямились, а другие остаются тесновато свернутыми?
Один из вероятных ответов — антропный принцип, который можно сконструировать последующим образом: мы лицезреем Вселенную таковой, какая она есть, так как мы существуем. Имеется две версии антропного принципа — слабенькая и мощная. Слабенький антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая немыслимо велика либо даже нескончаема в пространстве и/либо времени, условия, нужные для развития разумной жизни, складываются исключительно в неких областях, ограниченных в пространстве и времени. Потому разумные существа, населяющие такие области, не должны удивляться тому, что их местонахождение во Вселенной удовлетворяет тем условиям, которые нужны для жизни. В каком то смысле они подобны богачу, живущему в фешенебельном районе и не сталкивающемуся с нищетой.
Некие теоретики идут намного далее и предлагают сильную версию принципа. Согласно этой последней существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной Вселенной, любая из которых обладает своей исходной конфигурацией и, может быть, своим набором физических законов. В большинстве таких вселенных физические условия не содействуют развитию сложных организмов, и только немногие вселенные, подобные нашей, стали колыбелью разумных созданий, задавшихся вопросом: почему Вселенная такая, какой мы ее лицезреем? Тогда ответ прост: окажись она другой, нас бы тут не было!
Немногие возьмутся оговаривать действенность либо пользу слабенького антропного принципа, но сильный принцип в качестве разъяснения наблюдаемого состояния Вселенной может повстречать огромное количество возражений. К примеру, какой смысл может вкладываться в утверждение, что все эти разные вселенные есть? Если они вправду обособлены друг от друга, тогда происходящее в другой вселенной не может повлечь никаких последствий, которые могли быть приметны в нашей своей Вселенной. Означает, следуя принципу экономии, мы должны исключить их из нашей теории. Если же это только разные области одной Вселенной, в каждой из их должны действовать одни и те же физические законы, так как по другому нельзя было бы безпрерывно передвигаться из одной области в другую. В последнем случае единственное различие меж областями заключалось бы в их исходных конфигурациях, так что сильный антропный принцип свелся бы к слабенькому.
Антропный принцип дает один из вероятных ответов на вопрос, почему дополнительные измерения теории струн свернуты. 2-ух пространственных измерений, похоже, недостаточно для развития таких сложных созданий, как мы. К примеру, двумерные животные, обитающие на одномерной Земле, должны могли быть перебираться друг через друга, чтоб разойтись. Если б двумерное существо съело нечто такое, что не сумело бы стопроцентно переваривать, оно должно было бы извергнуть непереваренные остатки наружу этим же методом, каким проглотило, так как наличие сквозного прохода через тело разделяло бы такое существо на две отдельные части: наше двумерное существо просто развалилось бы. Точно так же тяжело вообразить возможность кровообращения в двумерном существе.
Наличие более чем 3-х пространственных измерений также сделало бы трудности (рис. 36). В данном случае гравитационное притяжение меж 2-мя телами уменьшалось бы с их удалением друг от друга резвее, чем в случае 3-х измерений. (В 3-х измерениях притяжение слабеет в четыре раза при удвоении расстояния. В 4 измерениях оно уменьшалось бы при всем этом в восемь раз, в 5 измерениях — в шестнадцать и т.д..) Это чревато тем, что орбиты обращающихся вокруг Солнца планет, таких как Земля, станут неуравновешенными: мельчайшее отклонение от радиальный орбиты (к примеру, вызванное гравитационным притяжением других планет) привело бы к тому, что Земля, двигаясь по спирали, стала бы удаляться от Солнца либо приближаться к нему. Мы бы либо промерзли, либо сгорели. В мире более чем 3-х пространственных измерений это изменение поведения силы тяготения с расстоянием в реальности не позволило бы самому Солнцу существовать в устойчивом состоянии, когда давление уравновешивает силу тяжести. Солнце или рассеялось бы в пространстве, или сколлапсировало, превратившись в черную дыру. В любом случае оно не могло бы служить источником тепла и света для жизни на Земле. В масштабах атома электронные силы, удерживающие электроны на орбитах вокруг ядра, вели бы себя подобно гравитации. Таким макаром, электроны, перемещаясь по спиралям, или покидали бы атом, или врезались бы в его ядро. Так либо по другому, существование атомов в известном нам виде было бы нереально.
Рис. 36. Значимость существования 3-х измерений.
В пространстве, имеющем больше 3-х измерений, планетные орбиты могли быть нестабильными: планетки или падали бы на Солнце, или ускользали бы от его притяжения.
Итак, представляется естественным, что жизнь — во всяком случае, популярная нам — может существовать только в тех областях места времени, где только одно измерение времени и три измерения места не свернуты до ничтожно малых размеров. Это значит, что [для разъяснения наблюдаемой размерности места времени] можно было бы обратиться к слабенькому антропному принципу, если б удалось обосновать, что теория струн, по последней мере, допускает существование схожих областей Вселенной — а она, похоже, такое допускает. Может быть, есть другие области Вселенной либо другие вселенные (что бы это ни означало), в каких все измерения свернуты либо развернуто больше 4 измерений, но в таких областях не будет разумных созданий, которые смогли бы следить другое число измерений.
Другая неувязка с теорией струн заключается в том, что есть само мало 5 разных ее версий (две теории открытых струн и три — замкнутых) и миллионы методов, которыми могут быть согласно теории свернуты дополнительные измерения. Почему необходимо избрать только одну теорию струн и один вид свертывания? Какое то время казалось, что ответа на этот вопрос нет, и наука топталась на месте. Но вот, начиная приблизительно с 1994 г ., ученые стали выявлять свойство, получившее заглавие дуальности: разные теории струн и методы свертывания дополнительных измерений вели к одним и этим же результатам в 4 измерениях. Более того, кроме частиц, которые занимают отдельную точку в пространстве, и струн, которые являются линиями, были найдены другие объекты, нареченные р —бранами и занимающие в пространстве объемы с 2-мя и поболее измерениями. (Можно считать, что частичка есть 0 брана, струна — 1 брана, но не считая их еще есть р —браны, где р может принимать значения от 2 до 9. 2 брану можно рассматривать как некоторое подобие двумерной мембраны. Сложнее представить для себя браны с огромным числом измерений!) Похоже, на данный момент имеет место некоторое типичное равноправие (в смысле равенства голосов) теорий супергравитации, струн р —бран: они, кажется, согласуются вместе, но ни одну из их нельзя считать основной. Они все смотрятся как разные приближения к некоторой более базовой теории, при этом любая из их верна в собственной области.
Ученые отыскивают эту фундаментальную теорию, но пока неудачно. Не исключено, что может не быть единой формулировки базовой теории, как нельзя, по Гёделю, выложить математику в определениях единственного набора аксиом. Эта ситуация припоминает трудности, возникающие в картографии: вы не можете обойтись одной плоской картой, чтоб передать сферическую поверхность Земли либо поверхность якорного кольца (тора). Вам пригодятся как минимум два листа карты для Земли и четыре для тора, чтоб корректно показать все точки . Любая карта справедлива для ограниченной области, но разные участки карт имеют области перекрытия. Коллекция карт обеспечивает полное описание поверхности. Может быть, что и в физике нужно использовать различные формулировки теории в разных ситуациях, но две различные формулировки должны согласоваться вместе в ситуациях, где они обе применимы. Если это вправду так, то все собрание разных формулировок могло бы расцениваться как полная объединенная теория, пусть и не выраженная в форме 1-го набора постулатов. Да и это может быть больше того, что допускает природа. Что, если создание объединенной теории в принципе нереально? Не гонимся ли мы за миражом? Кажется, есть три способности.
1. Создание полной объединенной теории (либо собрания взаимно перекрывающихся формулировок) может быть, и когда нибудь мы ее сформулируем, если хватит разума.
2. Не существует никакой конечной теории Вселенной — только нескончаемая последовательность теорий, которые обрисовывают Вселенную все более точно, но никогда не добиваются абсолютной точности.
3. Не существует вообщем никакой теории Вселенной: вне определенных рамок действия нереально предсказать, они происходят случайным и произвольным образом.
Некие склоняются в пользу третьей способности на том основании, что существование исчерпающего набора законов лишило бы Бога свободы поменять Собственный план и вмешиваться в ход мироздания. Все же разве Господь, будучи всесильным, не мог бы ограничить Свою свободу, если б возжелал? Это приводит на память старый феномен: способен ли Бог сделать таковой тяжкий камень, что сам не сумеет его поднять? Практически мысль о том, что Бог возжелал бы передумать, есть пример заблуждения, на которое указывал еще Блаженный Августин, когда Бога представляют имеющимся во времени, тогда как время — это только свойство Вселенной, Им сделанной. Можно представить, что Он отдавал для себя отчет в Собственных намерениях при сотворении мира!
С возникновением квантовой механики мы пришли к пониманию того, что действия не могут быть предсказаны с абсолютной точностью — всегда остается элемент неопределенности. Если охото, можно приписать случайность вмешательству Бога. Но это было бы очень странноватое вмешательство: нет никаких признаков того, что оно преследует какую или цель. В неприятном случае это по определению не было бы случайностью. Сейчас мы практически убрали третью из перечисленных способностей, пересмотрев цели науки: мы стремимся к тому, чтоб сконструировать набор законов, который позволит предвещать действия в границах, установленных принципом неопределенности.
2-ая возможность, другими словами существование нескончаемой последовательности все более и поболее совершенных теорий, пока согласуется со всем нашим опытом. В почти всех случаях экспериментаторы увеличивали точность измерений либо делали наблюдения нового типа только для того, чтоб найти не предсказанные имеющейся теорией новые явления, для истолкования которых создавалась более совершенная теория. Изучая простые частички, взаимодействующие со все более и поболее высочайшими энергиями, мы можем ждать открытия новых уровней строения материи, более базовых, чем кварки и электроны, которые сейчас числятся «элементарными» частичками.
Гравитация может положить предел этой веренице упрятанных друг в друга «коробочек». Если б была частичка с энергией, превосходящей так именуемую энергию Планка, концентрация ее массы была бы настолько высока, что она отсекла бы себя от остальной Вселенной и перевоплотился бы в маленькую черную дыру. Таким макаром, последовательность все более совершенных теорий, похоже, обязана иметь некоторый предел при переходе ко все более высочайшим энергиям, а означает, должна быть достижима некоторая окончательная теория Вселенной. Но все таки планковская энергия очень далека от энергий, которые мы способны получить на современных лабораторных установках. И мы не сможем преодолеть этот разрыв при помощи ускорителей простых частиц, которые появятся в обозримом будущем. А ведь конкретно такие энергии должны были иметь место на самых ранешних стадиях эволюции Вселенной. Есть хорошие шансы, что исследование ранешней Вселенной и требования математической согласованности приведут к полной объединенной теории в границах срока жизни неких из нас, если мы, естественно, не взорвем себя до того времени!
Какое значение имело бы открытие конечной теории Вселенной?
Мы никогда не можем быть полностью убеждены, что вправду сделали правильную теорию, так как теории нельзя обосновать. Но, если б теория была математически поочередной и всегда давала бы пророчества, согласующиеся с наблюдениями, было бы уместно считать, что она верна. Это поставило бы точку в длинноватой и прекрасной главе истории борений людского разума за зание Вселенной. Но это также революционным образом перевернуло бы осознание обыденным человеком законов, которые управляют Вселенной.
Во времена Ньютона образованный человек мог завладеть всем познанием, скопленным цивилизацией, по последней мере в общих чертах. Но с того времени темпы развития науки сделали это неосуществимым. Так как теории повсевременно пересматриваются с учетом новых наблюдений, они никогда не излагаются довольно сжато и просто, чтоб их могли понять обыденные люди. Для этого необходимо быть спецом, но даже тогда вы вправе возлагать на полное осознание только малой толике научных теорий. Не считая того, прогресс науки так стремителен, что в школе либо институте всегда преподаются несколько устаревшие познания. Только немногим людям удается смотреть за стремительно раздвигающимися границами познания, если они посвящают этому все свое время и сосредоточиваются на малеханькой области. Остальная часть населения имеет слабенькое представление о совершаемых прорывах и о том волнении, которое они создают в разумах ученых. С другой стороны, если веровать Эддингтону, 70 годов назад только два человека понимали общую теорию относительности. В текущее время ее понимают 10-ки тыщ универсантов и многие миллионы людей, по последней мере, знакомы с ее мыслями. Если б удалось сделать полную объединенную теорию, то возникновение сжатого и обычного ее изложения оказалось бы только вопросом времени, и, подобно теории относительности, ее стали бы преподавать в школах, по последней мере в общих чертах. Мы все смогли бы тогда получить некое представление о законах, которые управляют Вселенной и несут ответственность за наше существование.
Но даже открытие полной объединенной теории не означало бы способности предвещать все действия по двум причинам. 1-ая причина — ограничение, которое накладывает на нашу предсказательную способность квантово механический принцип неопределенности. Нет никаких методов его обойти. На практике, но, это 1-ое ограничение наименее агрессивно, чем 2-ое. 2-ое вытекает из того факта, что мы, скорее всего, не сможем решить уравнения таковой теории, кроме тех, что обрисовывают очень обыкновенные ситуации. Как уже говорилось, никто не может точно решить квантовые уравнения для атома, в каком вокруг ядра обращается более 1-го электрона. Мы даже не располагаем четким решением задачки о движении 3-х тел в таковой обычный теории, как закон глобального тяготения Ньютона, и проблем становится тем больше, чем больше число тел и чем труднее теория. Приближенные решения обычно удовлетворяют наши практические нужды, но они навряд ли соответствуют тем огромным ожиданиям, что связаны с понятием «объединенная теория всего сущего»!
Сейчас мы уже знаем законы, управляющие поведением материи во всех состояниях, не считая самых экстремальных. А именно, мы знаем законы, которые составляют фундамент химии и биологии. Но мы, непременно, не можем считать задачки этих дисциплин решенными. И еще пока мы не очень преуспели в пророчестве людского поведения при помощи математических уравнений! Итак, даже отыскав набор главных законов, мы окажемся перед бросающей вызов людскому уму задачей совершенствования приближенных способов, не решив которую мы не научимся предвещать возможные последствия в сложных реальных ситуациях. Полная согласованная объединенная теория — это только 1-ый шаг. Наша цель состоит в полном разъяснении происходящих вокруг нас событий и нашего собственного существования.