Лиза Рэндалл
Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной


Чтобы разобраться в природе протонов и нейтронов, придется признать, что они тоже не фундаментальны. Великий физик-ядерщик и популяризатор науки Джордж Гамов так обрадовался открытию протонов и нейтронов, что решил, что достигнута окончательная «вторая граница»; он не считал, что возможны еще какие-то субструктуры. Вот его слова:

«Вместо довольно большого числа “неделимых” атомов классической физики мы получили всего лишь три различных сущности: протоны, электроны и нейтроны… Таким образом похоже, что мы действительно достигли дна в поиске базовых элементов, из которых сформировано все вещество».

Оказалось, что ученый немного поторопился. Субструктуры – более мелкие компоненты, чем протон и нейтрон – все же существуют, но обнаружить их было непросто. Должны были появиться технические средства, позволяющие изучать расстояния, меньшие, чем размеры протона и нейтрона; нужны были более высокие энергии или более миниатюрные датчики, чем те, что имелись в распоряжении физиков во времена, когда Гамов сделал свое неточное предсказание.

Если бы мы могли проникнуть в ядро и увидеть нуклоны, размер которых примерно соответствует одному ферми, что примерно в десять раз меньше размеров самого ядра, мы увидели бы также объекты, существование которых внутри нуклонов предсказали Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Гелл-Манн назвал эти единицы субструктуры кварками, позаимствовав, по собственному утверждению, это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мастера Марка!» Нижние и верхние кварки в нуклонах действительно представляют собой фундаментальные объекты меньших размеров (два верхних и один нижний кварки внутри протона показаны на рис. 16), которые сила, известная как сильное ядерное взаимодействие, связывает в протоны и нейтроны. Несмотря на обычное название, сильное взаимодействие представляет собой особую силу природы и дополняет остальные известные типы фундаментальных взаимодействий – электромагнетизм, гравитацию и слабое взаимодействие, о котором мы поговорим позже.

Сильное взаимодействие называется сильным, потому что оно… сильное – это подлинная цитата из объяснения одного из моих коллег-физиков. Звучит глупо, конечно, но на самом деле это правда. Именно поэтому кварки можно обнаружить только в связанном состоянии в таких объектах, как протоны и нейтроны, для которых сильное взаимодействие в целом нейтрализуется. Это взаимодействие настолько сильно, что в отсутствие иных сил компоненты, связанные сильным взаимодействием, невозможно было бы обнаружить отдельно друг от друга.

Выделить один-единственный кварк невозможно. Кварки как будто намазаны чем-то особым, которое проявляет свои клеящие свойства на больших расстояниях (поэтому частицы, которые переносят сильное взаимодействие, получили название глюонов[22 - От англ. glue – клей. – Прим. пер.]). Представьте себе эластичную ленту, упругие свойства которой проявляются только тогда, когда ее растягивают. Внутри протона или нейтрона кварки могут свободно двигаться, но попытка удалить один из кварков на сколько-нибудь существенное расстояние потребовала бы дополнительной энергии.

Приведенное описание вполне корректно, но интерпретировать его нужно с осторожностью. Человек, естественно, представляет себе кварки как бы заключенными в мешок, где от внешнего мира их отделяет материальная преграда. Более того, одна из моделей ядерных систем, по существу, рассматривает протоны и нейтроны именно в таком ключе. Однако она, в отличие от других моделей, о которых мы будем говорить позже, вовсе не является гипотезой реальности. Ее единственная цель – производить вычисления в диапазоне расстояний и энергий, где действующие силы так мощны, что обычные методы расчетов неприменимы.

Протоны и нейтроны – не сосиски. У них нет искусственной оболочки, которая удерживала бы кварки внутри. Протон – это стабильный набор из трех кварков, которые удерживает вместе сильное взаимодействие. Благодаря этой силе три легких кварка, по существу, действуют как единый объект – протон или нейтрон.

Еще одно существенное следствие сильного взаимодействия – и квантовой механики – состоит в том, что внутри протона или нейтрона рождаются дополнительные виртуальные частицы, которые не живут долго, но в каждый отдельно взятый момент вносят свой энергетический вклад. Массу, а следовательно, и энергию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc2, в протоне и нейтроне имеют не только сами кварки, но и та сила, что их связывает. Сильное взаимодействие подобно эластичной ленте, которая связывает два мяча и сама по себе содержит энергию. Если «ущипнуть» эту ленту, запасенная в ней энергия позволит родиться новым частицам.

До тех пор пока суммарный заряд новых частиц равняется нулю, этот процесс рождения частиц из энергии в протоне не нарушает никаких известных физических законов. К примеру, положительно заряженный протон при рождении виртуальных частиц не может внезапно превратиться в нейтральный объект.

Это означает, что каждый раз, когда кварк – который сам по себе представляет собой частицу с ненулевым зарядом – рождается, одновременно должен родиться и антикварк, то есть частица, по массе идентичная кварку, но с обратным зарядом. Более того, пары «кварк – антикварк» могут как появляться, так и исчезать. К примеру, кварк и антикварк при аннигиляции могут породить фотон (частицу, которая передает электромагнитное взаимодействие), который, в свою очередь, породит новую пару «частица/античастица» (рис. 17). Их суммарный заряд равен нулю, так что ни с рождением, ни с гибелью пары заряд внутри протона не изменится.

Помимо кварков и антикварков протонное море (это не метафора, а технический термин!), состоящее из возникающих виртуальных частиц, содержит также глюоны – частицы, отвечающие за сильное взаимодействие. Они аналогичны фотонам, при обмене которыми между электрически заряженными частицами возникает электромагнитное взаимодействие. Глюоны (их существует восемь различных типов) подобным образом передают сильное взаимодействие. Ими обмениваются частицы, обладающие зарядом, который является объектом сильного взаимодействия; обмен глюонами связывает кварки воедино или отталкивает их друг от друга.

Однако в отличие от фотонов, которые не имеют электрического заряда и потому не подвергаются непосредственному действию электромагнитных сил, глюоны и сами являются объектом сильного воздействия! В то время как фотоны способны передавать взаимодействие на громадные расстояния – ведь мы можем включить телевизор и увидеть сигнал, переданный в эфир за много километров от нашего дома, – глюоны, как и кварки, не могут уйти далеко, прежде чем взаимодействие осуществится. Глюоны связывают объекты на расстояниях, сравнимых по размеру с протоном.

Если представить себе внешний вид протона и сосредоточиться только на элементах, несущих его заряд, можно сказать, что протон состоит из трех кварков. Это три валентных кварка – два верхних и один нижний, – которые вместе формируют его заряд. Однако помимо трех кварков, ответственных за заряд, внутри протона существует целое море виртуальных частиц – пар «кварк – антикварк» и глюонов. Чем подробнее мы будем рассматривать протон, тем больше виртуальных кварк-антикварковых пар и глюонов обнаружим. Их конкретное распределение зависит от энергии, с которой мы будем их зондировать. При тех энергиях, с которыми сегодня можно сталкивать протоны, мы видим, что значительную часть их энергии несут виртуальные глюоны, кварки и антикварки различных типов. Они никак не влияют на электрический заряд частицы, но, как мы увидим позже, важны для корректного предсказания результатов протонных столкновений, когда нам необходимо знать, что находится внутри протона и что конкретно переносит его энергию (более подробно строение протона см. на рис. 18).

Теперь, когда мы дошли до масштаба кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, мне бы хотелось рассказать, что происходит на еще более мелких масштабах. Имеет ли кварк внутреннюю структуру? Имеет ли ее электрон? На данный момент у нас нет этому никаких свидетельств. Ни один эксперимент до сих пор не дал никаких подтверждений существования структур более низкого уровня. В контексте нашего путешествия в глубь вещества кварки и электроны – это конец пути. Пока.

Однако в настоящее время БАК исследует энергии, более чем в 1000 раз превосходящие, – и соответственно расстояния, в 1000 с лишним раз меньшие, – чем энергии и расстояния, связанные с массой протона. БАК сталкивает между собой два протонных пучка, которые предварительно разгоняет до чрезвычайно высоких энергий – более высоких, чем все, что когда-либо имело место на Земле. Протонные пучки, о которых идет речь, состоят из нескольких тысяч сгустков по 100 млрд тщательно выровненных, или коллимированных, протонов, собранных в крохотные субстанции, циркулирующие по подземному туннелю. Вокруг кольца расположены 1232 сверхпроводящих магнита, назначение которых – удерживать протоны внутри трубы, пока электрические поля разгоняют их до высоких энергий. Другие магниты (392 штуки) переориентируют лучи таким образом, что два луча, вместо того чтобы лететь рядом, сталкиваются.

Затем – здесь-то все и происходит – магниты проводят два протонных луча по кольцу так точно, что они сталкиваются в области, меньшей по размеру, чем толщина человеческого волоса. При столкновении некоторая часть энергии ускоренных протонов превращается в массу, как гласит знаменитая формула Эйнштейна E = mc2. И при этих столкновениях высвобождается столько энергии, что могут родиться новые невиданные элементарные частицы, более тяжелые, чем все, что нам удавалось получить прежде.

При встрече протонов кварки и глюоны иногда сталкиваются на высоких энергиях в очень ограниченном пространстве – примерно как если бы сталкивались между собой набитые камешками воздушные шарики. БАК сообщает частицам столь высокую энергию, что в случае удачи друг с другом сталкиваются отдельные компоненты встречных протонов. В их числе, разумеется, те самые два верхних и один нижний кварки, которые обеспечивают заряд протона. При этом заметная часть энергии протона достается и виртуальным частицам. Поэтому в БАКе в столкновении участвуют не только три кварка, отвечающие за заряд, но и виртуальное «море» частиц.

Во время этого процесса – и именно здесь кроется ключ ко всей физике элементарных частиц – количество и типы частиц могут измениться. Полученные на БАКе результаты должны многое рассказать нам о самых маленьких расстояниях и размерах. Помимо информации о возможных субструктурах, они должны раскрыть перед нами новые аспекты физических процессов, существенные на этих расстояниях. Энергии, достигаемые на БАКе, представляют собой последний, по крайней мере в обозримом будущем, экспериментальный рубеж в мире сверхмалых масштабов.

Технологии. Что дальше?

Мы закончили вводное путешествие в мир малых расстояний, доступных человеку при нынешнем уровне развития технологий. Однако границы исследовательских возможностей человека не могут ограничивать природу реальности. Пусть сегодня кажется, что нам трудно придумать и изготовить технические средства, позволяющие напрямую исследовать еще более мелкие размеры и расстояния, мы все же можем попытаться сделать некоторые выводы о структуре и взаимодействиях на них при помощи математических аргументов.

Мы признаем, что без экспериментальных данных невозможно точно определить, что существует на тех невообразимо малых масштабах, в которых нам тоже очень хотелось бы разобраться. Тем не менее даже в отсутствие измерений у нас остаются теоретические рассуждения, способные направить наши усилия и подкрепить догадки о том, как вещество и силы природы могут вести себя на еще более мелких масштабах. Мы можем поискать на доступных нам масштабах новые возможности – средства и способы, которые помогли бы объяснить и соотнести между собой наблюдаемые явления, даже если их фундаментальные компоненты недоступны для непосредственных наблюдений.

Мы пока еще не знаем, какие из наших теоретических построений окажутся верными. Но даже без непосредственного экспериментального доступа к самым маленьким расстояниям можно сказать точно: то, что нам удалось наблюдать, серьезно ограничивает спектр явлений, которые в принципе могут быть обнаружены – ведь именно фундаментальная теория в итоге должна объяснить все, что мы видим. А значит, экспериментальные результаты даже на более крупных расстояниях ограничивают спектр возможностей и заставляют нас рассуждать в определенных, достаточно конкретных направлениях.

Кое-кто даже предполагает, что между энергиями БАКа и еще более высокими энергиями, действующими на еще более маленьких расстояниях, существует пустыня, то есть некий промежуток, практически лишенный значимых расстояний или энергий. Вероятно, подобные теории возникают от недостатка воображения или данных. Но многие ученые считают, что следующие по-настоящему интересные открытия на сверхмалых масштабах должны быть связаны с унификацией всех физических взаимодействий на малых расстояниях.

Эта концепция способна распалить воображение как ученых, так и обычных людей. Согласно такому сценарию мир, который мы видим вокруг, пока не раскрывает нам фундаментальную, очень красивую и простую теорию, лежащую в основе всего на свете, которая охватывает все известные физические взаимодействия (или, по крайней мере, все взаимодействия, кроме гравитации). С того самого момента, когда ученые впервые поняли, что сил в природе больше, чем одна, множество физиков посвятило свою жизнь поиску единой теории.

Одно из самых интересных рассуждений на эту тему представили Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу в 1974 г. Они предположили, что, хотя мы наблюдаем при низких энергиях три негравитационных взаимодействия, в которых фигурируют различные силы (электромагнитные, а также слабые и сильные ядерные), при гораздо более высоких энергиях останется лишь одно взаимодействие, одна сила (рис. 19)[23 - Обратите внимание, что этот рисунок соответствует более точной версии объединения, чем первоначальный вариант Джорджи и Глэшоу, в котором линии сходились почти, но не совсем. Несовершенство теории удалось показать позже, когда появились более точные данные об интенсивности взаимодействий. – Прим. авт.]. Эта сила охватывает все три известных типа взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное). Данное теоретическое построение получило название теории великого объединения (GUT – Grand Unified Theory).

Возможность того, что силы всех трех взаимодействий действительно сходятся в одной точке, представляется не просто красивой гипотезой. Расчеты с использованием квантовой механики и специальной теории относительности указывают: дело, вполне возможно, обстоит именно так[24 - Они сближаются, но сегодня мы знаем, что в пределах стандартной модели объединение невозможно. Однако ее можно достичь в модифицированных вариантах стандартной модели, например с привлечением суперсимметрии, о чем пойдет речь в главе 17. – Прим. авт.]. Однако энергетический диапазон, в котором это происходит, намного превышает все те энергии, которые мы можем изучать в своих экспериментах на коллайдере. Расстояния, на которых согласно расчетам должно «работать» единое взаимодействие, составляют порядка 10–30 см. Но, несмотря на то что подобные расстояния выходят далеко за пределы наших возможностей по непосредственному наблюдению, мы можем подумать о том, какие косвенные следствия унификации взаимодействий можно было бы зарегистрировать имеющимися средствами.

Одним из таких явлений мог бы стать распад протона. Согласно теории Джорджи и Глэшоу – а она попутно вводит новые виды взаимодействий между кварками и лептонами – протоны должны самопроизвольно распадаться. Учитывая достаточно специфическую природу этой теории, ученые смогли подсчитать, с какой частотой должен происходить этот распад. До сих пор никому не удалось его наблюдать, что, по идее, исключает вариант теории, предложенный Джорджи и Глэшоу. Это не означает, однако, что теория великого объединения обязательно неверна. Просто в реальности она может оказаться более сложной, чем предположили эти ученые.

Теория великого объединения наглядно демонстрирует, как можно расширить наши знания за пределами непосредственно наблюдаемых размеров. Пользуясь теоретическими допущениями, мы можем попытаться экстраполировать то, что уже сумели экспериментально проверить, на область пока недоступных прямому измерению энергий. В случае теории великого объединения попытки экспериментально наблюдать распад протона позволили ученым косвенно изучить взаимодействия на расстояниях, выходящих далеко за пределы возможностей непосредственного наблюдения. Эти эксперименты позволили проверить выдвинутое предположение. Приведенный пример показывает, что иногда нам удается сделать интересные заключения о свойствах вещества и фундаментальных взаимодействиях и даже придумать способы распространить выводы, основанные на экспериментальных данных, на гораздо более высокие энергии и более общие классы явлений при помощи рассуждений о расстояниях и масштабах, которые на первый взгляд представляются слишком далекими, чтобы принимать их во внимание. Следующая (и последняя) остановка нашего воображаемого путешествия – так называемая планковская длина, а именно 10–33 см. Чтобы получить некоторое представление о том, насколько реально мала эта величина, представьте, что она настолько же меньше протона, насколько сам протон меньше… ну, к примеру, Род-Айленда. В этом масштабе даже самые фундаментальные наши представления о пространстве и времени, вероятно, окажутся неверными. Мы не представляем даже, как мог бы выглядеть гипотетический эксперимент по исследованию расстояний, меньших, чем планковская длина. Это самый маленький размер, какой мы в принципе можем вообразить.

Тот факт, что мы не можем даже представить эксперимент, при помощи которого можно было бы исследовать планковские расстояния, вполне может оказаться не просто симптомом ограниченности человеческого воображения, техники или даже финансирования. Недоступность расстояний, меньших, чем планковская длина, может оказаться подлинным ограничением, обусловленным законами природы. Как мы убедимся в следующей главе, из законов квантовой механики следует, что для зондирования малых расстояний необходимы высокие энергии. Но стоит энергии, заключенной в небольшом объеме, оказаться слишком большой, как вещество коллапсирует и образуется черная дыра. В этот момент на передний план выходит гравитация. Дополнительная энергия лишь сделает черную дыру еще больше, в чем мы успели уже убедиться на примере ситуаций, в которых влияние законов квантовой механики невелико. Мы не знаем, как вообще можно исследовать расстояние, уступающее планковской длине. Дополнительная энергия здесь не поможет. Вероятно, что на этих невообразимо крошечных расстояниях традиционные представления о пространстве уже неприменимы.

Мне недавно довелось читать лекцию. После того как я рассказала о нынешнем состоянии физики элементарных частиц и наших предположениях о природе дополнительных измерений, кто-то из слушателей процитировал мне мое собственное забытое заявление о возможных ограничениях наших представлений о пространстве-времени. Меня спросили, как можно совместить рассуждения о дополнительных измерениях с мыслью о том, что на каких-то расстояниях пространство-время просто не существует.

Вообще, рассуждения о том, что категории пространства и времени теряют свою актуальность в определенных условиях, относятся лишь к невообразимо малой планковской длине. Поскольку никто до сих пор не видел объектов размером меньше 10–17 см, можно сказать, что классическая геометрия на измеримых расстояниях не нарушается. Даже если понятие пространства на расстояниях, сравнимых с планковской длиной, теряет актуальность, не стоит забывать, что речь здесь идет о расстояниях много меньших, чем все, что мы до сих пор исследовали. Здесь нет никакого противоречия, если предположить, что при усреднении на много бо?льших наблюдаемых расстояниях возникает узнаваемая структура. В конце концов, на разных масштабах вещество нередко ведет себя очень по-разному. Эйнштейн говорил о непрерывной геометрии пространства на больших расстояниях. Однако его мысли могут оказаться неверными на малых расстояниях, если, конечно, они пренебрежимо слабо влияют на явления, наблюдаемые на измеримых расстояниях, так что добавление еще нескольких фундаментальных ингредиентов не даст различимого эффекта, который мы могли бы зарегистрировать.

Независимо от того, существуют ли на самых малых расстояниях пространство и время, принципиальное свойство планковской длины, о котором сообщают нам уравнения, состоит в том, что гравитация, действие которой на фундаментальные частицы на измеримых расстояниях пренебрежимо мало, становится серьезной силой, сравнимой по интенсивности с остальными известными нам силами. На планковской длине стандартная формула тяготения, согласно теории относительности Эйнштейна, уже неприменима. В отличие от более крупных расстояний, где мы можем предсказать поведение системы таким образом, чтобы оно хорошо согласовывалось с экспериментальными данными, на этих крохотных расстояниях квантовая механика и теория относительности несостоятельны и применять теории, которым мы обычно пользуемся, невозможно. Мы даже не знаем, как подойти к прогнозированию. Общая теория относительности основана на классической пространственной геометрии. На планковской длине категории пространства и времени из-за квантовых флуктуаций может образовать слишком сложную структуру, к которой уже неприложимы традиционные формулы тяготения.

Чтобы делать какие бы то ни было предсказания о планковских расстояниях, нам необходимо обзавестись новой концептуальной теорией, объединяющей квантовую механику и гравитацию в единую теорию, известную как теория квантовой гравитации. Законы природы, наиболее эффективно работающие на планковских расстояниях, должны сильно отличаться от тех, которые уже доказали свою справедливость на доступных нашему наблюдению масштабах. Не исключено, что для понимания планковского масштаба понадобится не менее фундаментальный сдвиг парадигмы, чем переход от классической механики к квантовой. Пусть мы не можем производить измерения на самых крохотных расстояниях, но у нас есть шанс больше узнать о фундаментальной теории гравитации, пространстве и времени при помощи все более сложных теоретических построений.


Конец ознакомительного фрагмента
Купить и скачать всю книгу