Леонард Сасскинд - Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной

Ничто не приносит такую радость, как новые открытия. Это случается нечасто даже у величайших физиков. Вы говорите себе: «Сейчас я – единственный человек на планете, который это знает. Скоро об этом узнает и остальная часть мира, но на данный момент я – единственный ». Я был молод и неизвестен и жаждал славы. Но я не был единственным .

Примерно в то же самое время один физик из Чикаго проделал те же самые вычисления. Ёитиро Намбу был намного старше меня и уже давно являлся одним из самых выдающихся физиков в мире. Он родился в Японии и пришёл в Чикагский университет молодым физиком сразу после Второй мировой войны. Намбу был звездой и обладал репутацией человека, способного разглядеть некоторые вещи намного раньше всех остальных. Позже я узнал, что ещё один физик в Дании обдумывал весьма схожие идеи. Я не буду отрицать, что был разочарован, узнав, что я не одинок в своей «резиновой» теории, но мысль о том, что я оказался в одной компании с Великим Намбу, тешила моё самолюбие.

Современная теория струн занимается недостижимой унификацией квантовой механики и гравитации, о которую тщетно физики бились своей коллективной головой на протяжении большей части XX века. Другими словами, это теория о том, что представляет собой мир в сказочно крошечном масштабе планковских размеров – 10 –33сантиметра. Как я уже рассказал, она началась с гораздо более скромной задачи – описания внутренней структуры адронов. В следующей главе мы увидим, как теория струн переродилась в гораздо более глубокую фундаментальную теорию, но давайте начнём с её более ранней инкарнации.

Адроны являются очень маленькими объектами, они примерно в сто тысяч раз меньше атомов. Диаметр адрона составляет порядка 10 –13сантиметра. Для того чтобы удержать кварки на таких малых расстояниях, требуются колоссальные силы. Адронные струны – резинки в моём воображении – хотя и микроскопически малы, тем не менее невероятно прочны. Если бы было возможно прикрепить один конец мезона (одного из типов адронов) к автомобилю, а другой к подъёмному крану, то адронная струна, удерживающая кварки в мезоне, легко выдержала бы вес автомобиля. Относительно масштабов, достижимых в сегодняшних экспериментах, адронные струны не слишком малы. Современные ускорители позволяют исследовать материю на в сто, а то и в тысячу раз меньших расстояниях. Просто для сравнения позвольте мне забежать вперёд паровоза и показать, что представляет собой прочность струны в её современной инкарнации. Для того чтобы удерживать частицы на расстоянии порядка планковской длины, струна должна быть примерно в 10 40раз сильнее, чем адронная струна. Одна-единственная струна была бы способна выдержать вес всей нашей Галактики, если мы могли бы каким-то образом сумели сосредоточить всю массу Галактики вблизи поверхности Земли.

Все адроны подразделяются на три семейства: барионы, мезоны и глюболы. Наиболее известными адронами являются нуклоны – обычные протоны и нейтроны. Они принадлежат к первому семейству – барионам. [71]Все барионы состоят из трёх кварков. Кварки соединяются друг с другом, как предполагается, тремя струнами на манер боласа гаучо: три струны соединены концами в центре, а к свободным концам прикреплены три кварка. Единственное, что неверно в аналогии с боласом, – это то, что адронные струны, в отличие от верёвок, эластичны, они могут растягиваться подобно идеальной резиновой нити. Но поскольку обычные протоны и нейтроны представляют собой самую низкоэнергетическую конфигурацию «боласа», то их можно рассматривать как три кварка, соединённых очень короткими нерастяжимыми нитями.

Кварки на концах струн могут двигаться множеством способов. Например, «болас» может вращаться вокруг центральной точки, где соединяются концы струн, и в этом случае центробежная сила будет растаскивать кварки в разные стороны. Вращение требует энергии (вспомните E = mc 2), а это значит, что вращающийся адрон будет тяжелее невращающегося. На физическом жаргоне частица, обладающая дополнительной внутренней энергией, называется возбуждённой . Кварки могут образовать возбуждённое состояние адрона и не вращаясь. Примером такого состояния могут служить колебательные движения кварков в направлении центра. Вдобавок и сами струны могут вибрировать наподобие гитарных. Все эти движения или, по крайней мере, косвенные свидетельства таких движений регулярно наблюдаются в реальных экспериментах с нуклонами. Барионы действительно ведут себя как эластичный квантовый болас.

Что же означает в данном случае «квантовый»? Квантовая механика подразумевает, что энергия (масса) любой колебательной системы может добавляться или отниматься только неделимыми дискретными порциями. На заре экспериментальной адронной физики исследователи не предполагали, что различные квантовые состояния осциллирующей системы представляют собой один и тот же объект, поэтому они давали каждому энергетическому уровню собственное имя, принимая эти уровни за разные элементарные частицы. Протоны и нейтроны являются барионами с наименьшей внутренней энергией. Более массивные состояния получили замысловатые имена, многие из которых уже ничего не говорят современным молодым физикам, поскольку для них это не более чем возбуждённые состояния нейтрона и протона. Поняв суть, физики навели, наконец, порядок в существовавшем до этого зоопарке частиц.

Следующим у нас идёт мезон – частица, которую я изучал на чердаке моего дома в 1969 году. Мезоны устроены гораздо проще, чем барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, соединённых одной струной. Подобно барионам мезоны обладают вращательными и колебательными квантовыми состояниями. Расчёт, который я сделал тогда на чердаке, описывал основной процесс взаимодействия между двумя мезонами-струнами.

При столкновении двух мезонов может произойти несколько различных событий. Поскольку квантовая механика предсказывает только вероятности событий, невозможно заранее предсказать, по какому пути будет разворачиваться история столкновения. Самым вероятным и самым неинтересным вариантом будет прохождение мезонов друг сквозь друга, несмотря на то что при этом и струны, соединяющие кварки и антикварки, тоже пройдут друг сквозь друга. Но существует другая, более интересная возможность: мезоны могут слиться вместе, образовав новый мезон, в котором кварк и антикварк соединены более длинной струной.

Представьте каждую струну в виде группы танцоров, взявшихся за руки, чтобы образовать цепочку. У танцоров, находящихся на конце цепочки, одна рука свободна, а у танцоров в середине цепочки обе руки заняты. На рисунке изображены две цепочки, летящие друг к другу. Единственный способ, которым они могут провзаимодействовать, состоит в том, что танцор на конце одной цепочки возьмёт за свободную руку танцора на конце другой. После этого обе группы танцоров образуют единую цепочку. В этой конфигурации танцоры качаются друг относительно друга в сложном танце, до тех пор пока где-то в середине цепочки один из танцоров не отпустит руку своего соседа. Тогда цепочка снова распадётся на две независимых цепочки, и они продолжат своё движение в новом направлении, удаляясь друг от друга. Более точное, но менее наглядное описание выглядит так: кварк на конце одной струны соединяется с антикварком на конце другой. При этом кварк и антикварк аннигилируют, как и любые другие частицы и античастицы, оставляя после себя одну более длинную струну с оставшимися кварком и антикварком на концах.