Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Нобелевскую премию за идею объединения электромагнитной и слабой сил Вайнберг и Салам разделили с Шелдоном Глэшоу (Гарвардский университет), высказавшим идею о четырех типах фотонов в 1961 году. Руббиа и ван дер Меер были отмечены Нобелевской премией через год после открытия ими частиц W и Z.

С помощью кварков и слабой силы можно объяснить радиоактивное бета-излучение. В этом процессе внутри нейтрона один нижний кварк под действием слабой силы превращается в верхний кварк. В результате имевший нулевой заряд нейтрон становится положительно заряженным протоном. А отрицательно заряженный электрон и нейтрино с нулевым зарядом вылетают прочь, так что в этом процессе сохраняются электрический заряд и полная энергия. Эта реакция подчиняется одному из основных законов физики — закону сохранения электрического заряда. Полный заряд всех частиц до и после реакции должен оставаться неизменным. Излучаемое при бета-распаде нейтрино называют электронным нейтрино, поскольку оно связано с электроном. У него должна быть античастица — антинейтрино (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Радиоактивный бета-распад. Нейтрон состоит из верхнего кварка и двух нижних кварков. Один из них выбрасывает наружу отрицательную W-частицу. При этом нижний кварк превращается в верхний кварк, а нейтрон становится протоном. Частица W распадается на электрон и антинейтрино.

Гравитационная сила тесно связана с кривизной и размерностью пространства. Оказывается, что силы в природе могут быть связаны с более высокими размерностями. Как мы можем определить количество пространственных измерений? Просто проведем прямые линии так, чтобы они были взаимно перпендикулярны друг другу. На листе бумаги вы можете начертить только две перпендикулярные друг к другу линии, поэтому на плоскости два измерения, плоскость двумерна. Можно представить третью линию, проведенную от плоскости прямо вверх, перпендикулярно тем двум линиям на плоскости; эта линия определит третье измерение (рис. 18.9). Но сколько бы мы ни старались, нам не удастся провести линию четвертого измерения, перпендикулярную трем уже имеющимся линиям. Таким образом, наше пространство имеет три измерения. Даже если четвертое пространственное измерение существует, оно скрыто от нас.

Рис. 18.9. Ребра прямоугольной коробки образуют три линии, перпендикулярные друг другу. В трехмерной Вселенной нельзя найти четвертую прямую, перпендикулярную всем этим трем линиям.

Идея Эйнштейна представить гравитацию как кривизну пространства выглядит настолько элегантно, что физики задумались — а нельзя ли и другие силы представить так же? К моменту завершения общей теории относительности была известна еще только одна сила — электромагнитная, которая хорошо описывалась теорией Максвелла. Эйнштейн чувствовал, что гравитация и электромагнетизм должны быть как-то связаны друг с другом. Остаток жизни он потратил на поиск единой теории.

Эту точку зрения разделял и финский физик Гуннар Нордстрём (1881–1923), опубликовавший в 1914 году в журнале Physikalische Zeitschrift общую теорию гравитации и электромагнетизма, согласно которой пространство четырехмерно (а не трехмерно), а время является пятым измерением. Нордстрём впервые ввел дополнительное измерение в наше пространство-время, так что гравитация стала всего лишь проявлением электромагнитного взаимодействия в пяти измерениях. В проекции на известные четыре измерения гравитация и электромагнетизм кажутся разными силами. Эта теория, к сожалению, оказалась ошибочной. Но сама идея унификации с использованием дополнительных пространственных измерений была рождена.

Гуннар Нордстрём был современником Альберта Эйнштейна. Инженер по образованию, он заинтересовался химией, и это привело его в Геттинген, где он учился у Вальтера Нернста. В Геттингене молодой Нордстрём стал искренним приверженцем релятивизма. После единственной статьи по химии все остальные статьи Норд-стрёма были посвящены релятивизму, электродинамике и гравитации. Свою первую релятивистскую теорию гравитации, предшественницу общей теории относительности, Нордстрём представил в 1912 году и усовершенствовал в 1913 году, во время совместной работы в Цюрихе с Эйнштейном. В 1914 году Эйнштейн и А. Д. Фоккер переформулировали эту теорию. Ее главный недостаток состоял в том, что она не предсказывало отклонения света, проходящего вблизи массивных тел. Этот эффект был открыт в 1919 году, после чего Нордстрём отказался от своей теории и работал над общей теорией относительности Эйнштейна.

После возвращения в Хельсинки Нордстрём стал доцентом теоретической физики в университете и преподавал курс элементарной физики в старших классах. В 1916–1918 годах он работал в Лейдене (Голландия). В 1918 году он занял должность профессора физики в Технологическом университете Хельсинки. До Нордстрёма в Хельсинки не было традиции заниматься теоретической физикой, поэтому его работа не находила понимания. На просьбу выделить ему деньги на заграничную командировку он получил отказ с формулировкой: «Четвертое измерение можно изучать и дома, без путешествий за границу».

В 1921 году немецкий физик Теодор Калуца (1885–1954) независимо пришел к идее объединенной теории, использующей пятое измерение. В работе Калуцы электромагнетизм тоже является следствием кривизны пространства-времени, и теперь перед нами искривленное пятимерное пространство, так что электромагнетизм становится одним из видов гравитации.

Можно ли иметь пять измерений — четыре пространственных плюс время — в противовес четырехмерной гравитации (три измерения в пространстве плюс время), с которой мы ознакомились в теории Эйнштейна? Все бы было неплохо, если бы добавление еще одного обычного пространственного измерения не усложнило задачу. В 1747 году Иммануил Кант показал, что закон гравитации связан с размерностью пространства. Если гравитация ослабевает с расстоянием обратно пропорционально некоторой его степени (n), то число пространственных измерений будет n + 1. В законе Ньютона эта степень составляет n = 2, а размерность пространства равна 2 + 1 = 3. Если бы тело двигалось в другом силовом поле, с другим значением n, то можно показать, что его орбита при n больше 2 была бы очень неустойчива. Например, если бы сила гравитации с удалением от Солнца уменьшалась так, что n равнялось бы 3, то небольшие возмущения вынудили бы Землю либо упасть на Солнце, либо улететь от него. И если бы для электрической силы n равнялось 3, то вокруг ядра атома не могли бы существовать электронные оболочки. Сложные химические соединения и жизнь на Земле стали бы невозможны.