Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
ГЛАВА IX. Контури остаточної теорії
...Якщо
Ви можете дивитися в посів часів
І знаєте долю зерна будь-якого,
Скажіть мені...
В. Шекспір. Макбет1). Акт I, сцена 3
Цілком можливо, що нас відокремлюють століття від остаточної теорії, і вона виявиться зовсім несхожої на те, що ми
здатні сьогодні уявити. Але допустимо на мить, що ця теорія зовсім близько, за рогом. Що ми можемо в цьому
випадку сказати про неї на підставі вже відомих нам знань?
Один з розділів сучасної фізики, що, на мою думку, збережеться незмінним в остаточній теорії -
квантова механіка. Справа не тільки в тім, що квантова механіка є основою всіх наших подань про матерію й
різних взаємодіях і пройшла небачено тверду експериментальну перевірку; більш важливо те, що нікому не
удалося придумати спосіб хоч як-небудь змінити квантову механіку, що зберіг би всі її достоїнства, але не
привів би до логічних протиріч.
Хоча квантова механіка є як би сценою, на якій розігруються всі явища природи, сама по собі ця
сцена порожня. Квантова механіка дозволяє уявити незліченну безліч можливих фізичних систем: систем,
що складаються із часток будь-якого сорту й взаємодіючих самим різним образом, і навіть систем, що взагалі не складаються з
часток. Історія фізики в ХХ в. відзначена всі зростаючим розумінням того, що акторів у драмі, що розігрується на
квантовій сцені, визначають принципи симетрії. Сучасна стандартна модель сильних, електромагнітних і слабких
взаємодій заснована на симетріях, а саме
1) Переклад Ганни Радловой.
166
на просторово-тимчасових симетріях спеціальної теорії відносності, які вимагають, щоб стандартна
модель була сформульована мовою теорії полів, і на внутрішніх симетріях, що вимагають існування
електромагнітного й іншого полів, що переносить взаємодії. Тяжіння теж можна зрозуміти за допомогою принципів
симетрії, закладених в эйнштейновскую загальну теорію відносності й стверджуючих, що закони природи не
повинні мінятися в результаті будь-яких можливих змін нашого опису подій у просторі й часі.
На підставі вікового досвіду загальновизнано, що остаточна теорія повинна спочиває на принципах симетрії. Ми
очікуємо, що ці симетрії об'єднають тяжіння зі слабкими, електромагнітними й сильними взаємодіями
стандартної моделі. Але за минулі десятиліття ми так і не довідалися, які ці симетрії, і не зуміли побудувати
задовільної квантової теорії гравітації, що включає симетрії загальної теорії відносності.
Можливо, ми близькі до змін. За останнє десятиліття бурхливо розвивався радикально новий підхід до квантового
теорії гравітації, а може бути, і до всього іншого, - теорія струн. Ця теорія є першим прийнятним
кандидатом на остаточну теорію.
Корінь теорії струн сходять до 1968 р., коли теоретики намагалися зрозуміти, як улаштовані сильні взаємодії, не
звертаючись до квантової теорії полів, не пользовавшейся тоді популярністю. Молодий теоретик із Церна Габриэле
Венециано зумів просто вгадати формулу, що визначала ймовірності розсіювання двох часток на різні кути при різних
енергіях і обладавшую деякими загальними властивостями, які випливали із принципів теорії відносності й
квантової механіки. Використовуючи відомі математичні прийоми, які у свій час проходить кожний студент-фізик,
він зумів побудувати разюче просту формулу, що задовольняла всім необхідним умовам. Формула Венециано
привернула загальну увагу. Незабаром інші теоретики узагальнили її й поклали в основу систематичної наближеної
схеми. У ті роки ніхто й не помышлял про можливе застосування цих ідей до квантової теорії тяжіння. Вся робота
мотивувалася надією краще зрозуміти сильні ядерні взаємодії. (До створення правильної теорії сильних
взаємодій - квантової теорії поля, відомої за назвою квантова хромодинамика, залишалося ще трохи
років.)
У процесі роботи стало ясно!179, що формула Венециано і її розширення й узагальнення - не просто вдалі здогади, а
теорія фізичних сутностей нового типу, що одержали назву релятивістських квантово-механічних струн. Звичайно,
звичайні струни складаються із часток - протонів, нейтронів, електронів. Але нові струни зовсім інші: передбачається,
що протони й нейтрони складаються
167
з них. Справа обстояло не так, начебто на когось зійшло натхнення й він догадався, що матерія побудована зі струн, а
потім почав будувати відповідну теорію; насправді теорія струн була побудована до того, як хтось зрозумів, що
це таке.
Струни можна уявити собі як крихітні одномірні розрізи на гладкій тканині простору. Струни можуть бути
відкритими, із двома вільними кінцями, або замкнутими, як гумова стрічка. Пролітаючи в просторі, струни
вібрують. Кожна зі струн може перебувати в кожному з нескінченного числа можливих станів (мод) коливань,
схожих на обертони, що виникають при коливаннях камертона або скрипкової струни. Згодом коливання
скрипкової струни загасають, тому що енергія цих коливань переходить в енергію випадкового руху атомів, з яких
скрипкова струна складається, тобто в енергію теплового руху. Навпроти, струни, про які зараз мова йде, воістину
фундаментальні складові частини матерії, і можуть продовжувати коливатися нескінченно довго. Вони не складаються з атомів або
чогось у цьому роді, тому енергії їхніх коливань не в що переходити180.
Передбачається, що струни дуже малі, тому якщо розглядати їх з досить більших відстаней, вони здаються
крапковими частками. Тому що струна може перебувати в кожній з нескінченно великої кількості можливих мод коливань,
вона виглядає як частка, що може належати до одному з нескінченно великої кількості можливих сортів,
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка