Александр Филиппов - Многоликий солитон

Оскар Клейн (1894—1977) попытался уточнить теорию Калуцы и разработать какие-то физические следствия (1926 г.). В том же 1926 г. были опубликованы еще две работы, связанные с идеями Калуцы. Ленинградский физик Георгий Александрович Мандель независимо от Калуцы также пришел к идее пятимерного обобщения теории тяготения и разработал пятимерную теорию значительно дальше Калуцы. Опираясь на работу Манделя, Владимир Александрович Фок (1898—1974) проделал примерно такую же работу, как и Клейн. Было бы поэтому справедливо называть теорию Калуцы—Клейна теорией Калуцы—Манделя—Клейна—Фока или же просто теорией Калуцы.

К сожалению, во всех упомянутых прекрасных работах физический смысл пятой координаты так и не прояснился; она оставалась чисто формальной «вещью в себе». Современное понимание идей Калуцы восходит к работе А. Эйнштейна и П. Бергмана «Обобщение теории электричества Калуцы» (1938 г.), которые предположили, что пятое измерение «свернуто в колечко» очень малого радиуса. Иными словами, если бы мы попробовали пойти вдоль пятого направления, то очень быстро вернулись бы в исходную точку (чтобы понять это нагляднее, представьте себе поверхность цилиндра с координатной сеткой из прямых параллельных его оси и перпендикулярных им окружностей; примерно о таких колечках идет речь). В современных теориях рассматривают большее число свернутых измерений, это позволяет описать не только электромагнитное поле, но и поля Янга-Миллса. Ясно, однако, что радиус этих колечек должен быть не просто малым, а фантастически, невообразимо малым. Наиболее разумная оценка этого радиуса 10 -30см или, скорее, 10 -ЗЗсм. Столь малые расстояния недоступны прямому экспериментальному исследованию, могут быть лишь косвенные проверки предсказаний теорий с такой фундаментальной длиной. Основным же критерием правильности подобных теорий должна быть внутренняя непротиворечивость, математическая красота.

Из всех имеющихся на сегодня идей лишь идея струны кажется способной в конце концов привести к построению к объединенной, общей теории всех взаимодействий, естественно включающей в себя и гравитационное взаимодействие. За последние четыре года усилиями многих теоретиков удалось существенно продвинуться в этом направлении. Из многих полученных ими замечательных результатов, выделим лишь один, имеющий прямое отношение к теме этой книги. В современной теории струн реализовалась мечта лорда Кельвина о чисто топологическом истолковании зарядов элементарных частиц (для него — «атомов»). Если лишние измерения замкнуты, то струна может несколько раз обвиваться «вокруг них» (подобно нитке на катушке). Оказывается, что разные способы такого «обвивания» соответствуют различным внутренним квантовым числам частиц. С этой точки зрения частицы (кварки, лептоны и т. д.) — это просто разные состояния замкнутой струны, как это и представлял себе лорд Кельвин. На этом мы, пожалуй, и остановимся. Теория струн вещь не законченная, на мой взгляд, работа над ней только начинается. Впереди много проблем, наберемся терпения и подождем лет десять-пятнадцать.

Попробуем схематически изобразить современное представление о структуре мира. На рис. 7.20 схематически указано, как, параллельно с объединением взаимодействий, происходило изменение представлений о фундаментальных частицах, составляющих вещество (от «корпускул» до кварков и лептонов).

Дуализм «частица-взаимодействие» — один из лейтмотивов физики, и в разные периоды на первый план выдвигалось либо одно либо другое понятие. Например, для Декарта и Максвелла главным в картине мира было взаимодействие, а для Ньютона и Лоренца — частицы. Впрочем, эти глубокие мыслители были весьма осторожны и сами не проводили резкой грани между частицами и взаимодействиями. Существовало также и стремление к единой теории частиц и взаимодействий (от Руджера Бошковича до Эйнштейна). По мере того как открывались переносчики взаимодействий, грань между частицами и взаимодействиями становилась все более зыбкой. Сейчас, после того как суперсимметрия объединяет в единые мультиплеты фермионы (традиционные частицы) и бозоны (традиционные агенты взаимодействий), мы более подготовлены к мысли, что по-настоящему фундаментальная теория устройства Вселенной должна быть единой теорией всех взаимодействий и всех частиц, из которых построено вещество. По-видимому, понятия частиц и взаимодействий как отдельных структурных элементов реальности потеряют смысл и должны быть заменены новыми структурными единицами, порождающими знакомые нам частицы и взаимодействия лишь в некотором приближении. Возможно, что такой структурной единицей окажется струна, а живущие на ней солитоны порождают многообразие известных и пока неизвестных нам частиц, из которых в конечном счете составлено невероятное многообразие удивительного мира, в котором мы живем.

* * *

На этом кончается наше путешествие. В таких случаях обычно принято писать заключение, делать выводы, подводить итоги. В книге о солитоне делать это, по-моему, рано. Солитон еще слишком молод и открыл нам лишь малую часть своих дарований. Да и может ли быть какой-нибудь конец у истории о бесконечно разнообразном детище бесконечной и изменчивой Природы... Продолжение?.. Да, продолжение истории обязательно будет! Только для этого понадобится работа молодого читателя этой книги, будущего создателя дерзких новых идей.

1. Получим решение уравнения (4.7) геометрически, придав показательной функции е -ω 0 t , которую записывают также в виде exp(ω 0 t ), геометрический смысл, аналогичный геометрическому смыслу тригонометрических функций.

Построим на плоскости ( х, у ) график гиперболы у = 1/ х и обозначим буквой S площадь криволинейного треугольника ОО'А (рис. П1).

Тогда проекция точки А на ось Ох и есть x ( S ) = ехр( S ). Это определение можно пояснить по-другому. Площадь ОО'А равна площади О'Ах ( S )1, так как эти фигуры получаются вычитанием равновеликих треyгольников OAx ( S ) И OO' 1 из одной и той же фигуры OO'Ax ( S ). Площадь O'Ax ( S )1 по обычному определению есть натуральный логарифм: S = log ex ( S ) = ln x ( S ), а x ( S ) = exp( S ) — это просто обратная функция. Ясно теперь, что число е определяется условием е = x (1).