Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
Теория струн и объединение
Такова теория струн вкратце, но чтобы передать мощь нового подхода, я должен описать немного более полно обычную физику частиц. За последние сто лет физики прокалывали, избивали и распыляли материю в поиске элементарных составляющих вселенной. На самом деле они нашли, что почти во всем, с чем кто-либо когда-либо сталкивался, фундаментальными ингредиентами являются электроны и кварки, напомним только, – более точно, как в Главе 9, электроны и два вида кварков, верхний (up) и нижний (down), которые отличаются массой и электрическим зарядом. Но эксперименты также обнаружили, что вселенная имеет другие, более экзотические семейства частиц, которые не появляются в обычной материи. В дополнение к up-кварку и down-кварку эксперименты идентифицировали четыре других семейства кварков (очарованные (charm) кварки, странные (strange) кварки, кварки дна (вottom) и кварки вершины (top)) и два других семейства
11. Хотя я не касался этого явно в тексте, замечу, что каждая известная частица имеет античастицу – частицу с той же массой, но с противоположным силовым зарядом (вроде противоположного знака электрического заряда). Античастица электрона есть позитрон; античастица up-кварка есть, не удивительно, анти-up-кварк и так далее.
Длинный список для видов частиц может быть организован в три "семьи" или "поколения" частиц, как показано в Таблице 12.1. Каждое поколение имеет два кварка, одно из нейтрино и одну из электроноподобных частиц; разница между соответствующими частицами в каждом поколении заключается в том, что их массы возрастают в каждом последующем поколении. Разделение на поколения определенно наводит на мысль о лежащей в основании системе, но вал частиц может легко закружить вашу голову (или, хуже того, сделать ваши глаза стеклянными). Однако держитесь крепко, поскольку одно из самых прекрасных свойств теории струн заключается в том, что она обеспечивает способ для приручения этой кажущейся сложности.
В соответствии с теорией струн имеется только один фундаментальный ингредиент – струна – и богатство семейств частиц просто отражает различные способы (моды) колебаний, которые струна может выполнять. Это прямо похоже на то, что происходит с более привычными струнами вроде скрипичных или виолончельных. Виолончельная струна может колебаться множеством различных способов, и мы слышим каждый способ как различные звуки. Струны в теории струн ведут себя аналогично: они также могут колебаться различными способами. Но вместо получения различных музыкальных тонов, различные способы колебаний в теории струн соответствуют различным видам частиц. Ключевое понимание заключается в том, что детальные способы колебаний, выполняемые струной, производят специфическую массу, специфические электрический заряд, специфический спин и так далее – то есть, специфический список свойств, который различает один вид частицы от другого.
| Частица Масса Частица Масса Частица Масса |
|---|
| Поколение 1 Электрон 0,00054 Мюон 0,11 Тау 1,9 |
| Поколение 2 Электроннное нейтрино < 10– 9 Мюонное нейтрино < 10– 4 Тау-нейтрино < 10– 3 |
| Поколение 3 Up-кварк 0,0047 Charm-кварк 1,6 Top-кварк 189 Down-кварк 0,0074 Strange-кварк 0,16 Bottom-кварк 5,2 |
Таблица 12.1 Три поколения (семьи) фундаментальных частиц и их массы (в единицах масс протона). Известно, что величины масс нейтрино не равны нулю, но их точные величины пока ускользали от экспериментального определения.
Колебание струны одним особым способом может иметь свойства электрона, в то время как струна, колеблющаяся другим способом, может иметь свойства up-кварка, down-кварка или любого другого семейства частиц из Таблицы 12.1. Это не значит, что "электронная струна" составляет электрон, или up-кварковая струна составляет up-кварк, или down-кварковая струна составляет down-кварк. Вместо этого единственный вид струны может отвечать за великое множество частиц, поскольку струна может выполнять великое множество способов колебаний.
Как вы можете видеть, это представляет потенциально гигантский шаг в направлении унификации. Если теория струн верна, кружащий голову и делающий стеклянными
Это восхитительно элегантная система для объяснения частиц в Таблице 12.1, но кроме того, предложенные теорией струн унификации идут еще дальше. В Главе 9 и в нашем обсуждении выше мы рассмотрели, как силы природы переносятся на квантовом уровне другими частицами, частицами-переносчиками, которые собраны в Таблице 12.2. Теория струн отвечает за частицы-переносчики точно так же, как она отвечает за частицы материи. А именно, каждая частица-переносчик является струной, которая проявляет специфический способ колебаний. Фотон является вибрацией струны одним особым способом, глюон есть колебание струны другим способом. И, что имеет первоочередную важность, что показали Шварц и Шерк в 1974, имеется особая колебательная мода, которая имеет все свойства гравитона, так что гравитационная сила включается в квантовомеханическую схему теории струн. Таким образом, не только частицы материи возникают из вибрирующих струн, но так же и частицы-переносчики – даже частица-переносчик гравитации.
| Взаимодействие (сила) Частица-переносчик Масса |
|---|
| Сильное Глюон 0 |
| Электромагнитное Фотон 0 |
| Слабое W; Z 86; 97 |
| Гравитационное Гравитон 0 |
Таблица 12.2 Четыре силы (взаимодействия) природы вместе со связанными с ними частицами и их массами в единицах массы протона. (В действительности имеется две W-частицы – одна с зарядом +1 и одна с зарядом –1 – которые имеют одинаковую массу; для простоты мы пренебрегаем этими деталями и отмечаем каждую как W-частицу).
Итак, помимо обеспечения первого успешного подхода к соединению гравитации и квантовой механики, теория струн обнаруживает свою мощь, обеспечив единое описание для всей материи и всех взаимодействий. Это то утверждение, которое выбило тысячи физиков из их кресел в середине 1980х; со временем они поднялись и отряхнули с себя пыль, многие поменяли убеждения.
Почему теория струн работает?
Перед разработкой теории струн путь научного прогресса был усыпан неудачными попытками соединить гравитацию и квантовую механику. Так что такое с теорией струн, что позволило ей так сильно преуспеть? Мы описали, как Шварц и Шерк осознали, в значительной степени неожиданно для себя, что один особый способ колебаний струны имеет точно такие правильные свойства, чтобы быть гравитоном, и, как они затем заключили, что теория струн обеспечивает готовую схему для соединения двух теорий. Исторически в самом деле так и было, сила и перспективность теории струн были случайно осознаны, но как объяснение, почему струнный подход преуспевает там, где все другие попытки пасуют, оно оставляет желать лучшего. Рис. 12.2 суммирует конфликт между ОТО и квантовой механикой – на ультракоротких пространственных (и временных) масштабах буйство квантовой неопределенности становится настолько интенсивным, что гладкая геометрическая модель пространства-времени, лежащая в основе ОТО, разрушается – так что вопрос в следующем: Как теория струн решает проблему? Как теория струн нормализует бурные флуктуации пространства-времени на ультрамикроскопических расстояниях?
Главное новое свойство струнной теории в том, что ее основной ингредиент не точечная частица, – точка не имеет размера – а, вместо этого, объект, который имеет пространственную протяженность. Эта разница является ключевой для успеха теории струн в соединении гравитации и квантовой механики.
Дикое буйство, показанное на Рис. 12.2, возникает из применения принципа неопределенности к гравитационному полю; на все меньших и меньших масштабах принцип неопределенности подразумевает, что флуктуации в гравитационном поле будут все больше и больше. На таких экстремально малых масштабах расстояний, однако, мы должны описывать гравитационное поле в терминах его фундаментальных составляющих, гравитонов, почти как на молекулярных масштабах мы должны описывать воду в терминах молекул Н2О. На этом языке буйные неровности гравитационного поля должны мыслиться как большие количества гравитонов, дико прыгающих с места на место, как частицы грязи и пыли, пойманные свирепым торнадо. Теперь, если бы гравитоны были точечными частицами (как всегда представлялось ранее, приводя к краху попыток соединения ОТО и квантовой механики), Рис. 12.2 будет в точности отражать их коллективное поведение: чем короче масштаб расстояний, тем больше перемешивание. Но теория струн меняет это заключение.