Ульрих Вальтер
Сумасшедший мир физики. Астронавт Ульрих Вальтер объясняет почти всё
Сумасшедшая физика в мелочах
Если мы прекратим исследовать мир, то перестанем быть людьми.
Артур Кларк (1917–2008), английский писатель-фантаст и физик, в книге «S.E.T.I. – в поисках инопланетного разума» (S.E.T.I. – Die Suche nach dem Außerirdischen)
«Божественная» частица Хиггса
Существование частицы Хиггса было предсказано в 1960-е годы лауреатом Нобелевской премии физиком Питером Хиггсом (1929), а в июле 2012-го Центр ядерных исследований ЦЕРН доказал это на своем ускорителе частиц. С тех пор шумиха вокруг бозона Хиггса уже утихла. Почему до сих пор никто не получил Нобелевскую премию за это грандиозное открытие? И что собой вообще представляет эта «божественная» частица Хиггса?
Нобелевская премия в области физики каждый год отмечает самые выдающиеся научные открытия. Это знает каждый ребенок. Но что именно заслуживает такой награды? На этот счет постоянно ведутся споры среди экспертов. Порой здесь допускаются ошибки, о которых впоследствии приходится сожалеть. Поэтому Нобелевский комитет ведет весьма консервативную политику и предпочитает лучше подождать пару лет, а иногда и десятилетий, чтобы убедиться, что достижение действительно заслуживает такой высокой награды. Но и слишком долго медлить нельзя, потому что премия присуждается только при жизни.
Однако в данном случае все вроде ясно. На протяжении десятков лет в ускоритель ЦЕРН в Женеве вкладывались сотни миллионов евро, чтобы отыскать эту странную частицу, и в 2012 году ее действительно обнаружили, а потом еще и несколько раз подтвердили. Неужели это не заслуживает Нобелевской премии? Да как сказать…
ПОРЯДОК В ЗООПАРКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Почему такая неопределенность? Физике известны около сотни различных частиц, и каждые пару месяцев к ним добавляется очередная. Что такого особенного в частице Хиггса? Чтобы понять это, надо сначала навести порядок в зоопарке частиц. Примерно 40 лет назад с этой задачей справлялась так называемая стандартная модель. В соответствии с ней все вещи нашего мира (столы, стулья, люди, бактерии…) состоят из элементарных кирпичиков (частиц), называемых фермионами. То, как из этих элементарных частиц складываются все вещи в нашем мире, определяется четырьмя фундаментальными силами. Это гравитация, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Эти силы представлены другим типом элементарных частиц, которые именуются бозонами. Когда я нажимаю на кнопку дверного звонка, то с точки зрения стандартной модели происходит следующее. Мой палец и кнопка состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из различных элементарных частиц – фермионов. Возникающие между электронами (фермионами) атомов на поверхностях моего пальца и кнопки электростатические силы – обмен виртуальными фотонами (бозонами) электрического поля – вызывают при прямом контакте перемещение атомов кнопки, а следовательно, и самой кнопки до тех пор, пока не замыкается электрический контакт звонка.
Фермионы, то есть «вещественные» частицы, делятся на три семейства, каждое из которых состоит из трех кварков (тяжелых кирпичиков атомов) и двух легких лептонов, к которым принадлежит и электрон – частица, составляющая атомную оболочку. Все это нам уже давно известно и не вызывает никакого удивления. С другой стороны, силы между фермионами передаются с помощью поля. Что такое поле, не всегда понимают даже физики. Но для физиков важно, что они в точности знают, как оно действует. Эти действия определяются бозонами (одним или несколькими), каждый из которых отвечает за свое поле. Пока поля находятся в статичном состоянии, эти бозоны в действительности не существуют, поэтому их и называют виртуальными. Но поле можно привести в состояние возбуждения, и тогда появляются реальные частицы – бозоны. Так, возбуждение электрического и/или магнитного поля порождает электромагнитный фотон – частицу света (бозон), а возбуждение гравитационного поля – другой бозон под названием гравитон. Он обладает очень слабым действием, и его существование удалось непосредственно доказать лишь в 2016 году с помощью специального детектора гравитационных волн.
ПОЛЕ ХИГГСА
Стандартная модель не может объяснить одного: почему у всех этих фермионов и бозонов такая разная масса? Самый тяжелый верхний кварк примерно в миллион миллионов раз тяжелее самого легкого электронного нейтрино. И вообще, как возникает эта масса? Физики смело отвечают: из-за действия нового поля – так называемого поля Хиггса, которое равномерно распределено по всей Вселенной. Вот только все дело в том, что поле Хиггса не имеет ничего общего с существующей стандартной моделью, его можно объяснить только с позиций классической концепции поля. Но самое необычное в поле Хиггса – это его действие, которое распространяется на все без исключения частицы во Вселенной. Оно придает им массу, даже когда они находятся без движения (так называемую массу покоя). А когда частицы в поле Хиггса приходят в движение, они становятся еще немного тяжелее, что приводит к возникновению эффекта инерции. Без поля Хиггса во Вселенной не было бы массы, а следовательно, и тяжести!
Чтобы лучше это понять, давайте сравним поле Хиггса с уже хорошо знакомым гравитационным полем Земли. Гравитационное поле становится слабее по мере удаления от поверхности Земли, но никогда не бывает равным нулю. В принципе, оно существует повсюду, хотя мы его и не можем увидеть. Поднятый мною камень взаимодействует через свою массу с гравитационным полем и притягивается к Земле, что я ощущаю своей рукой. Похожим образом действует и поле Хиггса. Его никто не видит, но если я ускоряю камень, чтобы бросить его, то в соответствии с моделью Хиггса происходит следующее: благодаря взаимодействию камня с полем Хиггса скорость увеличивает его массу, а значит, и энергию (E = m · c2). Прирост массы благодаря скорости в поле Хиггса создает эффект инерции, который я ощущаю рукой. Поле Хиггса отличается от гравитационного только в одном отношении: даже если камень лежит без движения, поле Хиггса придает ему массу, а именно массу покоя, скажем 1 кг. Если бы поля Хиггса не было, и камень, и все остальное во Вселенной парили бы в пространстве, не имея веса. Поскольку поле Хиггса таким чудесным образом наделяет наш мир массой, его называют «божественным». За открытие механизма возникновения массы физики Питер Хиггс и Франсуа Энглер (1932) были в 2013 году удостоены Нобелевской премии в области физики.
ЧАСТИЦА ХИГГСА
Как доказать существование невидимого поля Хиггса? Для этого надо возбудить его, как и все прочие поля, с помощью большого ускорителя частиц. При возбуждении поля Хиггса, как и любого другого поля (напомним, что при возбуждении электрического поля, например, в электрической лампочке появляется бозон света – фотон), возникает реальный бозон – частица Хиггса, которая была обнаружена в Институте ЦЕРН в Женеве. Поскольку бозон находится в поле Хиггса, то тоже обладает массой. Причем очень большой, из-за чего его так долго и не могли обнаружить. Это удалось только с помощью мощного ускорителя ЦЕРН.
Экспериментальное открытие частицы Хиггса, о котором было объявлено 4 июля 2012 года, косвенно подтвердило странную теорию поля Хиггса, созданную еще в 1960-е. Поэтому данное открытие также достойно Нобелевской премии. Получат ли физики ЦЕРН эту самую престижную научную награду? Думаю, пока нет. Дело в том, что в принципе любой исследователь, открывающий каждые пару месяцев новую частицу, может утверждать, что это и есть бозон Хиггса. Чтобы доказать это, необходимо продемонстрировать в самых разнообразных ситуациях, что она не только выглядит как бозон Хиггса (то есть имеет массу 125 ГэВ, как было спрогнозировано теоретиками), но и обладает другими предсказанными свойствами бозона Хиггса. Именно этим и планируют заняться физики ЦЕРН в ближайшие годы. Справившись с этой задачей, они смогут претендовать на Нобелевскую премию. Но зато с полным правом.
Теория должна быть простой, насколько это возможно, но не более того.
Альберт Эйнштейн (1879–1955), немецкий физик
Теория струн для начинающих
Теория струн обещает ответить на все вопросы сегодняшней физики элементарных частиц. Таким образом, она претендует на звание универсальной теории всего на свете. Возможно ли такое? И что представляют собой решенные и нерешенные проблемы теории струн?
Может ли существовать единая формула, которая способна объяснить все подряд и предсказать будущее? Нет. Это мы уже знаем (см. главу «Можно ли предсказать будущее» в моей книге «Другой взгляд на мир» (Eine andere Sicht auf die Welt)). Но на это теория струн и не претендует. Ее сторонники лишь утверждают, что смогут дать единообразное объяснение всем действующим в нашем мире силам и связанным с ними частицам. А это уже немало, потому что в результате мы получим единую теорию элементарных частиц, которую физики не совсем корректно называют теорией всего.
ДЛЯ ЧЕГО НАМ НУЖНА ФОРМУЛА МИРА?
Сегодняшняя физика элементарных частиц (теория сил и связанных с ними частиц) сталкивается с двумя основными проблемами. Признанная всеми стандартная модель не включает в себя гравитацию как силу и гравитон как ее носитель. Таким образом, она неполна. Вдобавок она исходит из того, что элементарные частицы (фотон, электрон, кварк) имеют точечную природу. Под точкой понимается сингулярность, и из-за этого возникают проблемы при определении свойств частиц. Пример: насколько велик заряд электрона? Стандартная модель не может дать ответа, потому что при его вычислении необходимо учитывать экранирование точечного заряда виртуальными частицами вакуумных флуктуаций (см. главы «Что такое гравитация?» и «Что такое темная энергия?» в моей книге «В черной дыре черт ногу сломит»). Результат вычислений гласит: сингулярный точечный заряд обусловливает бесконечно большой экранирующий заряд облака виртуальных частиц. Но поскольку измеренный заряд имеет конечную величину, то и первоначальный заряд электрона также должен быть бесконечно большим. Таким образом, эффективный заряд = точечный заряд – экранирующий заряд = ∞ – ∞. Это неопределенная величина. Поэтому вычислить таким путем эффективный заряд точечного электрона не удастся.
ДОЛОЙ СИНГУЛЯРНОСТЬ!
Как решить эту проблему? Надо просто смело заявить, что элементарные частицы имеют не точечный характер, а протяженный. Вместо точки – линия. Так физики впервые представили себе частицу как тонкую нить (или струну). Им оставалось только поставить эту идею на солидные математические рельсы, и в результате родилась теория струн. На самом деле у теоретиков был и другой замысел. Они хотели продемонстрировать, что с помощью этого нового подхода можно решить и вторую главную проблему, которую мы уже называли, то есть заодно включить в теорию и гравитацию. И им удалось, хотя для этого пришлось прибегнуть к одному необычному допущению, о котором пойдет речь ниже и которое большинство физиков сегодня признали правильным.
ПРОСТРАНСТВО 9 + 1D
Одна из не самых главных проблем состояла в том, что чисто из математических соображений (то есть чтобы избавить теорию струн от внутренних логических противоречий) необходимо было допустить, что наша Вселенная имеет 9 пространственных измерений и одно временное (физики обозначают это как 9 + 1). Как быть, если это не совпадает с действительностью? Ведь мы живем в мире, где этих измерений 3 + 1. Физики утверждают, что остальные измерения тоже существуют, только мы их не видим. Надо просто представить их себе, говорят сторонники теории струн. Пространственные измерения могут быть искривлены и замкнуты сами на себя. Поверхность нашей Земли, к примеру, представляет собой сферу, то есть замкнутое двухмерное (2D) пространство. Если начать сжимать эту сферу, можно дойти до такого состояния, что ее поверхность будет восприниматься как точка, однако это по-прежнему будет двухмерная поверхность. Применительно к теории струн это должно означать, что в нашей Вселенной, состоящей из 9 пространственных измерений, 6 измерений замкнуты на себя. И мы их не воспринимаем. Эти 6 измерений образуют так называемое пространство Калаби – Яу. Остальные 3 + 1 измерения – это те, в которых мы живем.
ПРОСТРАНСТВО КАЛАБИ – ЯУ
Как это можно представить наглядно? Если свернуть одно из трех пространственных измерений, в которых мы обитаем, в круг, а затем сжать почти до точки, у нас получится двухмерная поверхность, на которой живут двухмерные существа и в которой к каждой математической точке прикреплен этот экстремально маленький круг, слегка выделяющийся из плоской поверхности. Поскольку точки могут размещаться на поверхности с произвольной плоскостью, круги создают на этих точках компактное одномерное гиперпространство. В этом смысле пространство Калаби – Яу представляет собой компактное пространство 6D в нашем трехмерном пространстве.
Квазитрехмерное изображение пространства Калаби – Яу 6D, на поверхности которого находятся струны (источник: GNU Free Documentation License)
ЖИЗНЬ СТРУН НА ПРОСТРАНСТВЕ КАЛАБИ – ЯУ
Именно на поверхности этого экстремально малого гиперпространства Калаби – Яу существуют и колеблются струны. Это очень важный момент, потому что геометрия пространства Калаби – Яу определяет форму колебаний струны на его поверхности. В соответствии с теорией струн различные формы колебаний определяют свойства различных элементарных частиц (в частности, электрический заряд, цветовой заряд или их вид, например фотон, гравитон, глюон и т. д.). Принципиальным моментом является то, что пространство Калаби – Яу имеет топологически всего три отверстия, что позволяет создать именно три семейства (поколения) частиц, которые мы наблюдаем в действительности.
Это объяснение, которое неспособна была дать стандартная модель, является большим успехом теории струн. Вот почему в нее верят так много физиков. Кроме того, величина пространства Калаби – Яу определяет и величину струн, которые на нем размещаются. Пространство Калаби – Яу должно иметь минимальную теоретически допустимую величину, а это так называемая планковская длина, составляющая 10–32 см. Если учесть, что диаметр атома примерно 10–8 см, а атомного ядра – 10–13 см (это самое малое, что нам известно на сегодня), то струна представляет собой нечто чертовски маленькое.
БОЛЬШАЯ НЕРЕШЕННАЯ ПРОБЛЕМА ТЕОРИИ СТРУН
Пространство Калаби – Яу создает одну трудноразрешимую проблему. Существует примерно 10500 (это единица, за которой следует 500 нулей!) компактификаций (способов замыкания) шести измерений пространства Калаби – Яу, и все они имеют одинаковую вероятность с точки зрения математики. Но в нашей Вселенной реализована только одна из них. Поскольку пространство Калаби – Яу имеет экстремально малые размеры и поэтому его невозможно наблюдать экспериментально, мы не знаем, о какой именно компактификации из 10500 идет речь. Без дальнейшей информации на этот счет, которой мы пока не располагаем, определение этой компактификации практически невозможно. Не зная точной геометрии этого единственного пространства Калаби – Яу, мы не можем определить формы колебаний струн и то, каким свойствам частиц они соответствуют. Это на сегодня самая большая проблема, которая тормозит исследования в области теории струн.
М-ТЕОРИЯ 10 + 1D
Правда, физики все же сумели ответить на вопрос, имеют ли струны замкнутую форму, кольцеобразную, или их концы свободны. До недавнего времени существовало несколько теорий струн. В типе I струны могли быть замкнутыми или открытыми, а в четырех других типах (тип IIA, тип IIB, гетеротические струны Е и гетеротические струны О) – только замкнутыми. Как продемонстрировали в 1995 году физик Эдвард Виттен и некоторые другие, все пять теорий струн, а вдобавок к ним еще и так называемую одиннадцатимерную гравитационную супертеорию, которая до этого существовала как бы сама по себе, можно объединить в одну М-теорию, если допустить, что измерений не 9 + 1, а 10 + 1. Из этого следует, что концы струн могут быть как замкнутыми, так и открытыми. Однако введение дополнительного пространственного измерения в М-теории приводит к тому, что струны представляют собой уже не одномерные нити, а двухмерные мембраны (или, как их называют, браны). Из дальнейших обобщений теории струн следует, что элементарные частицы – это не струны, а так называемые р-браны, причем 1-брана = одномерная нить, 2-браны = двухмерный объект = сферическая поверхность, 3-браны = трехмерный объект и т. д. Тем не менее физики и в рамках М-теории используют все-таки понятие струн. Это надо иметь в виду, когда они говорят о «струнах в общем плане».
ТЕОРИЯ СТРУН ДАЕТ НЕОБЫЧНЫЕ ОБЪЯСНЕНИЯ
На двух примерах я постараюсь показать, на какие удачные новые толкования непонятных прежде феноменов способна теория струн, и объяснить, почему ее так полюбили.
Струны, как уже было сказано, существуют на поверхности пространства Калаби – Яу и таким образом слегка за пределами нашего трехмерного пространства. Открытые струны, ассоциирующиеся с сильным (глюоны), слабым (W– и Z-бозоны) и электромагнитным (фотоны) взаимодействиями, прикрепляются своими свободными концами к нашему трехмерному пространству. Это все, что мы можем увидеть из нашего пространства. Замкнутые струны (частица Хиггса и гравитон) не соприкасаются с нашим пространством. Они передвигаются по поверхности пространства Калаби – Яу очень близко к нашему пространству, но не затрагивают его. Космологи, отстаивающие теорию бран, в частности Лиза Рэндалл, утверждают, что этим чрезвычайно малым расстоянием до нашего пространства и объясняется слабость гравитационного взаимодействия, в то время как все остальные струны, контактирующие с нашим пространством, оказывают весьма сильное воздействие на массивные частицы нашей Вселенной. Это действительно очень интересное объяснение того, почему различные виды взаимодействия обладают такой разной силой.
Есть еще один интересный пример: квантовые физики никак не могли понять сути такого феномена, как квантовая запутанность фотонов или электронов проводимости в так называемой коррелированной жидкости Ферми, например в сверхпроводниках. Теория струн смогла найти необычное решение этой проблемы: нелогичная в нашем трехмерном пространстве квантовая запутанность является следствием корреляции частиц, находящихся слегка за пределами пространства Калаби – Яу нашей трехмерной Вселенной. То, что мы считаем нелогичным феноменом, представляет собой всего лишь проекцию этих корреляций на наш мир.
Теория струн пока еще не настолько развита, чтобы физики признали ее теорией всего. С одной стороны, она в настоящее время находится в тяжелом кризисе, пытаясь найти выход из проблемы «1 из 10500». С другой стороны, она дала уже несколько хороших объяснений, которые невозможно просто так отмести. Должно быть, в ней все-таки что-то есть. Однако теория всего – это слишком крепкий орешек, на котором допустил промашку даже Стивен Хокинг (1942–2018), заявив на конференции «Струны-99», проводившейся в 1999 году в Потсдаме, что физики уже через 20 лет смогут создать теорию всего. Сегодня они еще очень далеки от этого.
Ученые изучают мир таким, какой он есть; инженеры создают мир, какого еще никогда не было.
Теодор фон Карман (1881–1963), венгерско-американский математик