Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Шрифт:
В данный момент мы не знаем, какая (если хоть какая-нибудь) из многих возможностей является истинным описанием Вселенной. Поэтому я буду держать открытыми все возможности, с тем чтобы не упустить чего-то важного. Какой бы сценарий не оказался правильно описывающим наш мир, те сценарии, о которых я расскажу, предлагают новые захватывающие идеи, совсем недавно казавшиеся невозможными.
Глава 4
Подходы к проблемам теоретической физики
She’s a model and she’s looking good.
Kraftwerk [26]
— Привет, Афина! Ты что, смотришь «Касабланку»?
— Да.
26
Она модель и выглядит хорошо.
«Крафтверк»
27
Ты должен помнить:
Поцелуй — всего лишь поцелуй,
И вздох — всего лишь вздох,
Фундаментальные вещи проявляются, когда проходит время.
— Подожди, Икар! не кажется ли тебе, что последняя строка немного странная? Казалось бы, она должна быть такой романтичной, но звучит так, как будто говорится о физике.
— Афина, если ты думаешь, что она странная, тогда тебе следует послушать первые строки песни:
This day and age we're living in Give cause for apprehension, With speed and new invention. And things like fourth dimension, Yet we get a trifle weary With Mr. Einstein's theory… [28]28
Этот день и век, в котором мы живем,
Тревожат наше воображение,
Эта скорость и новые изобретения,
И вещи вроде четвертого измерения,
Однако мы немного подустали От теории г-на Эйнштейна…
— Икар, неужели ты думаешь, что я тебе поверила? я знаю тебя, в следующий раз ты расскажешь мне про Рика и Илзу, сбежавших в седьмое измерение! Давай забудем, что я вообще что-то сказала, и просто посидим и посмотрим фильм?
Эйнштейн обнародовал общую теорию относительности в начале двадцатого века, а в 1931 году Руди Вэлли записал песню Германа Хупфелда, которую процитировал (кстати, правильно) Икар. Однако к тому времени, как Сэм напевал эту мелодию в фильме «Касабланка», слова, которые напомнил Икар, — так же как учение о пространстве-времени — были почти забыты массовой культурой. И хотя Теодор Калуца высказал свою идею о дополнительные измерениях в 1919 году [29] , физики до недавнего времени совершенно не воспринимали эту идею серьезно.
29
Всего через год после того, как «Ред Соке» в последний раз перед 2004 г. выиграли чемпионат США по бейсболу.
Теперь, когда мы видели, что такое измерения и как они могут ускользнуть от нашего взора, мы почти готовы спросить, что вызвало этот новый интерес к дополнительным измерениям. Почему физики должны верить, что эти измерения действительно существуют в реальном физическом мире? Ответ на этот вопрос потребует значительно более продолжительных объяснений, включающих рассказ о некоторых наиболее значительных физических достижениях прошлого века. Прежде чем погрузиться в описание возможных вселенных с дополнительными измерениями, я в нескольких следующих главах дам обзор этих достижений и объясню, почему они являются предшественниками более современных теорий. Мы рассмотрим основные изменения во взглядах и понятиях, случившиеся в начале двадцатого века (квантовая механика, общая теория относительности), расскажем о сути современной физики частиц (Стандартная модель, симметрия, нарушение симметрии, проблема иерархии) и о новых идеях, подводящих к пока что нерешенным проблемам (суперсимметрия, теория струн, дополнительные измерения и браны).
Однако, прежде чем погрузиться в эти темы, мы совершим в этой главе краткое путешествие вглубь материи, чтобы оборудовать физическую сцену. И поскольку понимание того, где мы находимся, требует также некоторого знакомства с современными идеями, мы рассмотрим теоретические подходы, важные для современных исследований.
Сначала я думала, что «заниматься самым важным» — это разумный выбор правильной цитаты из песни. Но после некоторых размышлений слова стали звучать так похоже на физику, что я решила проверить, не сыграла ли моя память со мной шутку, как это часто бывает с текстами песен, даже в том случае, когда вы уверены, что они навсегда врезалась в вашу память. Я была удивлена (и позабавлена), когда обнаружила, что песня уходит корнями в физику больше, чем я могла вообразить. Я совершенно не понимала, что слова «время проходит» говорят о четвертом измерении.
Физическая интуиция может работать так же; из тоненьких нитей иногда могут образоваться неожиданные связи. Если вам повезет, то окажется, что вы нашли гораздо больше того, что искали, при условии, что вы искали в правильном месте. В физике, если вы обнаружили какие-то взаимосвязи, пусть и следуя неясным намекам, вы пытаетесь их расшифровать тем способом, который считаете наилучшим. Этот поиск может опираться на разумные оценки или на попытки вывести математические свойства теории, которой, как вы считаете, можно доверять.
В следующем разделе мы рассмотрим современные методы, используемые для поиска таких связей: построение моделей (мой конек) и альтернативный подход к фундаментальной физике высоких энергий — теорию струн. Теоретики, занимающиеся струнами (далее, для краткости, струнники — Прим. пер.), пытаются вывести универсальные предсказания из определенной теории, в то время как создатели моделей пытаются найти пути решения конкретных физических задач, а затем, опираясь на эти отправные точки, построить теории. Как создатели моделей, так и струнники занимаются поиском более всеобъемлющих теорий, обладающих большей предсказательной силой. Они стремятся ответить на сходные вопросы, но подходят к ним с разных сторон. Исследование иногда основывается на разумных оценках, как в случае построения моделей, иногда оно включает извлечение логических следствий из той окончательной теории, которая уже считается правильной, как в случае с подходом теории струн. Вскоре мы увидим, что современные исследования по дополнительным измерениям успешно соединяют элементы обоих методов.
Хотя поначалу меня тянуло к математике и естественным наукам благодаря той определенности, которую они обещали, сейчас мне не менее интересны вопросы, на которые нет ответа, и связи, которым пока нет объяснений. Принципы, содержащиеся в квантовой механике, теории относительности и Стандартной модели, будят воображение, но они едва касаются тех примечательных идей, которыми увлечены сегодня физики. Мы чувствуем, что требуется что-то новое, ибо ощущаем недостаток идей. Эта нехватка является предвестником новых физических явлений, которые проявятся, когда мы осуществим новые эксперименты.
Ученые, занимающиеся физикой частиц (далее, для краткости, частичники — Прим. пер.), пытаются установить те законы природы, которые объясняют поведение элементарных частиц. Эти частицы и физические законы, которым они подчиняются, являются компонентами того, что физики называют теорией — определенным множеством элементов и принципов с правилами и уравнениями для предсказания того, как элементы взаимодействуют. Когда я говорю в этой книге о теориях, я буду использовать это слово в указанном смысле и не буду подразумевать «грубые рассуждения», как это делается на более разговорном языке.