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
що всі ці різні теорії струн насправді не різні, а лише представляють різні способи рішення рівнянь
однієї й тієї ж
170
лежачої в основі всього теорії. Але ми в цьому не впевнені, і ніхто не знає, який могла б бути така теорія.
Кожна з тисяч окремих теорій струн має свою просторово-тимчасову симетрію. Деякі із цих
теорій задовольняють принципу відносності Эйнштейна, в інших теоріях ми не можемо навіть розрізнити щось,
тривимірний простір, що нагадує звичайне. Крім того, кожна теорія струн має своїми внутрішніми
симетріями того ж загального типу, як і внутрішні симетрії, що лежать в основі сьогоднішньої стандартної моделі
слабких, електромагнітних і сильних взаємодій. Але головна відмінність теорій струн від усіх більше ранніх теорій
полягає в тім, що просторово-тимчасові й внутрішні симетрії не задаються в теорії струн руками, а є
математичними наслідками конкретного способу, яким закони квантової механіки (а отже, вимога
конформної симетрії) задовольняються в кожній конкретній теорії струн. Тому теорії струн потенційно
являють собою важливий крок уперед у раціональному поясненні природи. Крім того, вони, очевидно, є
найбільш глибокими, математично несуперечливими теоріями, сумісними із принципами квантової механіки, і в
частковості, єдиними такими теоріями, що включають щось, схоже на тяжіння.
Досить багато сучасних молодих фізиків-теоретиків працюють над розвитком теорії струн. Отримано трохи
надихаючих результатів. Наприклад, виявилося, що в рамках теорії струн природно виходить рівність констант
взаємодії сильних і электрослабых взаємодій при дуже більших енергіях, обумовлених через натяг
струни, хоча й немає окремої симетрії, що поєднує ці взаємодії. Проте, дотепер не вдається одержати
детальні кількісні пророкування, що дозволяють здійснити вирішальну перевірку теорії струн.
Цей тупик привів до сумного розколу фізичного співтовариства. Теорія струн пред'являє до дослідника більші
вимоги. Дуже мало теоретиків, що працюють над іншими проблемами, мають достатній запас знань, щоб зрозуміти
технічні деталі в статтях по теорії струн. У той же час, мало хто з фахівців з теорії струн має час на
вивчення інших розділів фізики, особливо експериментальної фізики високих енергій. Реакцією багатьох моїх колег на
цю невеселу ситуацію з'явилася певна ворожість стосовно теорії струн. Я не розділяю цих почуттів.
Теорія струн представляється на сьогоднішній день єдиним кандидатом на остаточну теорію - як же, у такому
випадку, можна сподіватися, що багато блискучих молодих теоретиків відмовляться від роботи над цією теорією? Звичайно,
шкода, що теорія поки що виявилася не занадто успішної, але, як і всі інші вчені, фахівці зі струн
додають максимум зусиль, що-
171
би перебороти дуже важкий період в історії фізики. Ми просто зобов'язані сподіватися на те, що або теорія струн
приведе до більше відчутних результатів, або нові експерименти приведуть до прогресу в інших напрямках.
На жаль, ніхто ще не зумів побудувати конкретну теорію струн, що включає всі просторово^-тимчасові й
внутрішні симетрії й той набір кварків і лептонів, що спостерігається в природі. Більше того, ми навіть дотепер не
знаємо, як перелічити всі можливі теорії струн або довідатися їхньої властивості. Для рішення цих проблем, схоже, потрібно
розробити нові методи обчислень, що далеко виходять за рамки тих методів, які так добре працювали в минулому.
Наприклад, у квантовій електродинаміці ми можемо розрахувати ефект обміну двома фотонами між електронами в атомі
як мале виправлення до ефекту обміну одним фотоном, а потім розрахувати ефект обміну трьома фотонами як ще меншу
виправлення й т.д., припинивши це обчислення, що як тільки залишилися виправлення стануть пренебрежимо малі. Такий метод
обчислень називається теорією збурювань. Однак головні проблеми теорії струн пов'язані з обміном нескінченним
кількістю струн, так що їх не можна вирішити методом теорії збурювань.
Справи йдуть ще гірше. Навіть якби ми знали, як математично звертатися з теоріями струн, і змогли б знайти
якусь одну із цих теорій, що відповідає спостережуваним у природі явищам, однаково в ніс немає сьогодні критерію
того, чому саме ця теорія струн застосовна до реального миру. Я знову повторюю - мету фізики на її самому
фундаментальному рівні полягає не тільки в тім, щоб описати мир, але й пояснити, чому він такий, який він є.
У пошуках критерію, що дозволить нам вибрати правильну теорію струн, нам, може бути, прийде залучити
принцип, що має трохи сумнівний статус у фізику. Його називають антропным принципом, і він затверджує, що
закони природи повинні дозволяти існування розумних істот, які можуть задавати питання про ці закони.
Ідея антропного принципу191 сходить до зауваження, що закони природи дивно добре пристосовані до
існуванню життя. Знаменитим прикладом цього є синтез елементів. Відповідно до сучасних подань,
цей синтез почався тоді, коли нашому Всесвіту було приблизно три хвилини отроду (до цього моменту було занадто
пекуче для того, щоб протони й нейтрони могли об'єднатися в атомні ядра), і потім тривав усередині зірок.
Спочатку вважалося, що елементи утворювалися шляхом послідовного додавання по одній ядерній частці до
атомному ядру, починаючи з найпростішого елемента - водню, ядро якого складається з одного протона. При побудові
у такий спосіб ядра гелію, що складає із чотирьох ядерних часток (двох протонів і двох
172
нейтронів) не виникало ніяких проблем, але вже наступний крок виявився неможливим, тому що не існує
стабільних ядер з п'ятьма ядерними частками. Зрештою, рішення проблеми було знайдено Эдвином Солпитером в
1952 р.192 Воно полягало в тім, що при зіткненні двох ядер гелію усередині зірки може утворитися нестабільне
ядро ізотопу 8Ве, і перш ніж це ядро розпадеться назад на два ядра гелію, воно може поглинути ще одне ядро гелію,
утворивши ядро вуглецю. Однак, як підкреслив в 1954 р. Фред Хойл, для того, щоб такий процес міг здійснитися й
привести до спостережуваної поширеності вуглецю в космосі, повинне існувати стан ядра вуглецю з такий
енергією, щоб імовірність його утворення при зіткненні ядер гелію й бериллия-8 була аномально велика. (Саме
такий стан було потім знайдене експериментаторами, що працювали разом з Хойлом193.) Якщо в зірках утвориться
вуглець, те вже немає ніяких перешкод для утворення й усіх більше важких елементів, включаючи кисень і азот,
необхідних для відомих форм життя194. Але щоб все це працювало потрібно, щоб енергія того самого стану ядра
[...]
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