Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

Рэндалл Лиза

Вещество — не просто матрешка, внутри которой находятся все меньшие и меньшие копии похожих куколок. На малых расстояниях обнаруживаются поистине новые явления. Даже функционирование человеческого организма — например, работу сердца и механизм кровообращения — люди плохо представляли себе до тех пор, пока ученые, такие как Уильям Гарвей, не произвели в 1600-х годах вскрытие человеческого тела и не заглянули внутрь. Недавние эксперименты проделали то же самое с веществом, исследуя малые расстояния, на которых новые миры взаимодействуют за счет более фундаментальных физических законов. И точно так же, как циркуляция крови имеет важное значение для функционирования всего организма, фундаментальные физические законы приводят к важным следствиям для нас на больших масштабах.

Мы знаем теперь, что все вещество

состоит из атомов, которые за счет химических процессов объединяются в молекулы. Атомы очень малы, их размер порядка ангстрема или одной сотой части от миллионной доли сантиметра. Но атомы не фундаментальны, они состоят из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами (рис. 30). Ядро много меньше, чем атом, и занимает по размеру лишь одну стотысячную долю атома. Но положительно заряженное ядро само является составным. Оно содержит положительно заряженные протоны и нейтральные (незаряженные) нейтроны, которые вместе называют нуклонами и которые ненамного меньше самого ядра. Такова была картина устройства вещества, которая была принята учеными до 1960-х годов и которую вы, вполне возможно, изучали в школе.

Эта схема атома правильна, хотя, как мы увидим ниже, квантовая механика приводит к более интересной картине орбит электронов, чем любая картинка,

которую вы можете нарисовать. Но мы теперь знаем, что протоны и нейтроны не являются фундаментальными частицами. В противоположность приведенному во введении высказыванию Гамова, у протона и нейтрона есть субструктура, более фундаментальные составные части, известные как кварки. Протон состоит из двух u– кварков и одного d– кварка, а нейтрон содержит два d– кварка и один и– кварк (рис. 31) [30] . Эти кварки связаны друг с другом ядерными силами, известными как сильное взаимодействие. Электрон, другой компонент атома, ведет себя иначе. Насколько мы можем судить, он фундаментален — электрон невозможно разделить на более мелкие частицы, он не содержит внутри себя никакой субструктуры.

30

Названия кварков u и d произошли от англ. слов up (верхний) и down (нижний). Мы далее будем пользоваться сокращенными обозначениями u и d. — Прим. пер.

Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг придумал название «Стандартная модель» для обозначения хорошо установленной теории в физике частиц, которая описывает взаимодействия этих фундаментальных строительных блоков вещества — электронов, и- и d– кварков, а также других фундаментальных частиц, к которым мы сейчас перейдем. Стандартная модель описывает также три из четырех сил, за счет которых взаимодействуют элементарные частицы: электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие (гравитация обычно опускается).

Хотя гравитация и электромагнетизм были известны в течение столетий, вплоть до второй половины двадцатого века никто не понимал две последние, менее знакомые силы. Эти слабые и сильные взаимодействия влияют на фундаментальные частицы и очень важны для ядерных процессов. Они, например, позволяют кваркам связываться вместе, а нуклонам распадаться.

Если угодно, мы можем также включить гравитацию в Стандартную модель. Обычно это не делается, так как гравитация — слишком слабая сила, чтобы иметь какое либо значение на расстояниях, имеющих отношение к физике частиц при экспериментально доступных энергиях. При очень больших энергиях и на очень малых расстояниях наши обычные представления о гравитации терпят крах. Это важно для теории струн, но не играет роли на измеримых масштабах расстояний. При изучении элементарных частиц гравитация важна только для определенных расширений Стандартной модели, таких как модели с дополнительными измерениями, которые мы позднее рассмотрим. Для всех остальных предсказаний о поведении элементарных частиц про гравитацию можно забыть.

Теперь, когда мы вошли в мир фундаментальных частиц, нам стоит немного оглядеться и произвести переучет наших соседей. Кварки и и d, а также электрон образуют сердцевину вещества. Однако сегодня мы знаем, что существуют также дополнительные, более тяжелые кварки и другие электроноподобные частицы, которые никогда не обнаруживаются в обычном веществе. Например, в то время как электрон имеет массу порядка одной двухтысячной доли массы протона, частица, называемая мюоном, имеет такой же заряд, как у электрона, и массу, в двести раз больше, чем у электрона. Частица по имени тау, также имеющая тот же заряд, имеет массу еще в десять раз большую. За последние тридцать лет в экспериментах на коллайдерах высокой энергии были обнаружены еще более тяжелые частицы. Чтобы породить их, физикам потребовалось самое большое количество сконцентрированной энергии, какое только могут создать современные ускорители частиц.

Я сознаю, что этот раздел был объявлен как экскурсия внутрь вещества, но частицы, о которых я говорю, не содержатся внутри стабильных объектов материального мира. Хотя все известное вещество состоит из элементарных частиц, более тяжелые элементарные частицы не являются составными частями вещества. Вы не обнаружите их в шнурках своих туфель, на поверхности своего стола, на Марсе, или в любом другом известном нам физическом объекте. Однако эти частицы постоянно создаются в наши дни в экспериментах на коллайдерах высоких энергий, и они были частью ранней Вселенной сразу же после Большого взрыва.

Тем не менее эти тяжелые частицы являются существенными компонентами Стандартной модели. Они взаимодействуют за счет тех же сил, что и более знакомые частицы, и возможно, будут играть важную роль в более глубоком понимании наиболее фундаментальных законов природы, которым подчиняется вещество. На рис. 32 и 33 я перечислила частицы Стандартной модели. Я включила в список нейтрино и переносчиков сил — калибровочные бозоны, — о которых мы поговорим подробнее в гл. 7, где я детальнее рассмотрю все элементы Стандартной модели.

Никто не знает, почему существуют тяжелые частицы Стандартной модели. Вопросы о цели их существования, той роли, которую они играют в окончательной теории, о том, почему их массы столь отличны от масс составных частей более знакомого вещества, являются некоторыми из важнейших загадок, с которыми сталкивается Стандартная модель. И это лишь часть того, на что не может ответить Стандартная модель. Почему, например, имеются четыре силы, а не больше? Могут ли существовать другие силы, которые мы до сих пор не обнаружили? И почему гравитация настолько слабее других известных сил?

В Стандартной модели остается открытым и более теоретический вопрос, который надеется разрешить теория струн: каким образом мы должны самосогласованно объединить квантовую механику и гравитацию на всех масштабах расстояний? Этот вопрос отличается от других тем, что он касается не наблюдаемых в данное время явлений, а внутренних ограничений физики частиц.

Оба типа остающихся без ответа вопросов, которые касаются как наблюдаемых явлений, так и чисто теоретических проблем, дают нам основания выйти за рамки Стандартной модели. Несмотря на мощь и успехи Стандартной модели, мы уверены, что более фундаментальная структура ожидает своего открытия, а поиск более фундаментальных принципов будет вознагражден. Как изящно заметил на страницах «Нью-Йорк Таймс» композитор Стив Райх (проводя аналогию с той пьесой, которую он сочинял): «Сначала были просто атомы, затем появились протоны и нейтроны, после них — кварки, а теперь мы говорим о теории струн. Похоже, что каждые 20, 30, 40, 50 лет открывается люк, и перед нами предстает следующий уровень реальности».