Страница 36 из 48
Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель предсказала свойства W- и Z-частиц, а также дополнительных кварков — все они были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория.
И все же Стандартная модель очевидно слишком громоздкая, чтобы признать ее окончательной теорией. Модель включает более 60элементарных частиц — не слишком большой шаг вперед по сравнению с числом элементов таблицы Менделеева. В модели (чтобы не путать с таблицей) 25настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны. Более того, одно важнейшее взаимодействие — гравитация — осталось за бортом этой модели. [129]Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться. [130]
Проблема с гравитацией
Отсутствие гравитации в Стандартной модели — это не просто упущение. На первый взгляд гравитация похожа на электромагнетизм. Например, ньютоновская сила тяготения, так же как и кулоновское электрическое взаимодействие, обратно 'квадратично зависит от расстояния. Однако все попытки разработать квантовую теорию гравитации по аналогии с теорией электромагнитного и других взаимодействий в Стандартной модели сталкивались с непреодолимыми трудностями.
Сила электрического взаимодействия между двумя заряженными частицами возникает вследствие непрерывного обмена фотонами. Частицы подобны двум баскетболистам, которые бегут вдоль площадки, перебрасываясь мячом. Аналогично, гравитационное взаимодействие можно описать как обмен квантами гравитационного поля, которые называют гравитонами. И такое описание действительно работает довольно хорошо, пока взаимодействующие частицы находятся достаточно далеко. В этом случае гравитация слаба, а пространство-время почти плоское. (Помните — гравитация связана с искривлением пространства-времени.) Гравитоны можно представлять как маленькие бугорки, скачущие между частицами на этом плоском фоне. Однако на очень маленьких расстояниях ситуация совершенно иная. Как говорилось в главе 12, квантовые флуктуации на коротких расстояниях придают пространству-времени пенообразную геометрическую структуру (см. рис. 12.1). Мы не знаем, как описывать движение и взаимодействие частиц в такой хаотической среде. Картина частиц, движущихся сквозь гладкое пространство-время и стреляющих друг в друга гравитонами, очевидным образом не подходит к этому состоянию.
Эффекты квантовой гравитации становятся существенными на расстояниях меньше планковской длины — это невообразимо малая величина, в 10 25раз меньше размера атома. Для изучения таких расстояний частицы должны сталкиваться с колоссальной энергией, лежащей далеко за пределами возможностей самых мощных ускорителей. На гораздо больших расстояниях, доступных для наблюдения, квантовые флуктуации геометрии пространства-времени усредняются, и эффектами квантовой гравитации можно безболезненно пренебречь. Однако в поисках окончательных законов природы нельзя игнорировать конфликт между эйнштейновской общей теорией относительности и квантовой механикой. В окончательной теории должны найти отражение как гравитация, так и квантовые явления. Так что оставить гравитацию в стороне — это не выход.
Гармония струн
Большинство физиков ныне возлагает надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации — теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий. Это самый многообещающий из всех кандидатов на роль фундаментальной Теории Всего.
Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с планковской. Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала.
Струны в крошечных петлях очень сильно натянуты, и это натяжение заставляет их вибрировать подобно колеблющимся струнам скрипки или фортепьяно. На рисунке 15.1 показаны различные режимы вибраций прямой струны. В этих режимах, которые соответствуют разным музыкальным нотам, струна приобретает волнообразную форму с укладывающимися вдоль нее несколькими полуволнами. Чем больше число полуволн, тем выше нота. Режимы вибрации петель в теории струн весьма похожи (рис. 15.2), но теперь они соответствуют не различным нотам, а различным типам частиц. Все свойства частиц, такие как масса, электрический заряд и заряды, участвующие в слабом и сильном взаимодействиях, определяются точным вибрационным состоянием струнной петли. Вместо введения независимой новой сущности для каждого типа частиц мы имеем единственную сущность — струны, из которых состоят все частицы.
Рис. 15.1.Режимы колебаний струны.
Рис. 15.2.Схематическое представление режимов вибрации струнной петли.
Частицы-переносчики — фотоны, глюоны, Wи Z— также представляют собой маленькие вибрирующие колечки, а взаимодействие частиц можно изобразить как разделение и слияние струнных петель. Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, теорию нельзя построить без гравитации.
Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. Как уже говорилось, эта проблема связана с квантовыми флуктуациями геометрии пространства-времени. Если частицы — это математические точки, то флуктуации в непосредственной близости от частиц идут вразнос, а гладкий континуум пространства-времени превращается в неистовую пространственно-временную пену. В теории струн крошечные струнные колечки имеют конечные размеры, заданные планковской длиной. Это как раз тот масштаб, ниже которого квантовые флуктуации выходят из-под контроля. Петли невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.
Идею о том, что частицы могут втайне быть струнами, предложили в 1970 году Еитиро Намбу (Yoichiro Nambu) из Чикагского университета, Холгер Нильсен (Holger Nielsen) из Института Нильса Бора и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Ешивы-Университета. Первоначально теория струн задумывалась как теория сильного взаимодействия, но вскоре обнаружилось, что она предсказывает существование безмассового бозона, для которого нет соответствия среди сильно взаимодействующих частиц. На ключевую идею о том, что этот безмассовый бозон имеет все свойства гравитона, указали в 1974 году Джон Шварц (John Schwarz) из Калтеха и Джоэл Шерк (Joel Sherk) из Эколь Нормаль Сюпериор. Потребовалось еще 10лет, чтобы Шварц в сотрудничестве с Майклом Грином (Michael Green) из Колледжа королевы Марии в Лондоне справились с рядом тонких математических проблем и показали, что теория действительно является непротиворечивой.
В теории струн нет произвольных констант, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна. Сегодня, после 20лет штурма сотнями талантливых физиков и математиков, она все еще остается не до конца понятной. В то же время эти исследования открыли удивительно богатые и красивые математические структуры. Это в большей мере, чем что-либо другое, указывает физикам, что они находятся на верном пути. [131]
129
В 1970-1980-х годах физики пытались достичь более единообразного описания частиц и их взаимодействий в рамках так называемых теорий Великого объединения. Первая модель этого типа была предложена Говардом Джорджи (Howard Georgi) и Шелдоном Глэшоу из Гарварда, которые показали, что всю Стандартную модель вместе с ее отдельными симметриями для сильного и электрослабого взаимодействий можно элегантно вписать в теорию, которая имеет одну, но более мощную симметрию. Более того, эта модель дала единое описание для трех фундаментальных взаимодействий. Великое объединение — очень привлекательная идея, и многие физики верят, что она сохранится как часть окончательной теории. Однако в теории Великого объединения сохраняются почти все недостатки Стандартной модели. В частности, она требует еще большего числа подстраиваемых параметров, а гравитация по-прежнему остается за бортом.
130
Широкий круг вопросов, касающихся существования (или несуществования) окончательной теории, обсуждается в книге Стивена Вайнберга "Мечты об окончательной теории" (Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory, Vintage, New York, 1994).
131
Космология дает интересную возможность наблюдательной проверки теории струн. В результате высокоэнергетических процессов в конце инфляции могли образоваться струны астрономического размера. Подобно "обычным" космическим струнам (см. главу 6) эти фундаментальные струны будут впоследствии доступны для наблюдения. Струны не испускают света и потому непосредственно не видны, но их присутствие может быть обнаружено по гравитационным эффектам. Световые лучи далеких галактик, расположенных позади длинной струны, искривляются ее притяжением, и мы можем видеть по соседству два изображения галактики, образованных лучами, прошедшими с двух сторон от струны. Колеблющиеся струнные петли служат мощными источниками гравитационных волн. Существующие и перспективные детекторы гравитационных волн будут искать характерные для них сигналы.