Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Когда мы будем рассматривать модели с дополнительными измерениями, мы увидим, что модельный подход в соединении с теорией струн породил большинство новых глубоких идей в области физики частиц, эволюции Вселенной, тяготения и теории струн. Теоретик-струнник со своим знанием грамматики и создатель моделей со своим словарем вдвоем начали писать вполне разумный разговорник.

Сердце вещества

В конечном счете идеи, которые мы будем рассматривать, касаются всей Вселенной. Однако эти идеи уходят корнями в физику частиц и теорию струн, которые призваны описывать мельчайшие компоненты вещества. Поэтому, прежде чем пускаться в путешествие по экстремальным просторам, которые исследуют эти теории, предпримем краткую прогулку вглубь вещества к его мельчайшим составным частям. Во время этой экскурсии по атому обратите внимание на основные строительные блоки вещества и размеры тех объектов, с которыми имеют дело разные физические теории. Они будут служить ориентирами, на которые в дальнейшем можно будет опираться и которые помогут вам осознать составные части, важные для разных областей физики.

Основным исходным пунктом большинства физических теорий является утверждение, что строительными элементами вещества являются элементарные частицы. Счистите все слои, и внутри вы всегда в конце концов обнаружите элементарные частицы. Частичники изучают вселенную, в которой эти объекты считаются мельчайшими элементами. В теории струн делается еще один шаг вперед и постулируется, что сами частицы являются осцилляциями элементарных струн. Однако даже струнники полагают, что вещество состоит из частиц — неразрушимых сущностей в его сердцевине.

Довольно трудно поверить, что все состоит из частиц; безусловно, они не видны невооруженным глазом. Но это есть следствие очень грубой разрешающей способности наших органов чувств, которые не могут непосредственно детектировать какой бы то ни было предмет, близкий по размерам к атому. Тем не менее, даже несмотря на то что мы не можем наблюдать элементарные частицы непосредственно, они являются элементарными строительными блоками вещества. Точно так же как изображения на мониторе вашего компьютера или экране телевизора составлены из крохотных точек, и тем не менее кажутся непрерывными, вещество состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц. Физические тела вокруг нас кажутся непрерывными и однородными, но на самом деле это не так.

Прежде, чем физикам удалось заглянуть вглубь вещества и определить его состав, им потребовалось совершить технологический прорыв в создании чувствительных измерительных приборов. Но каждый раз, как они разрабатывали все более точные приборы и технологии, обнаруживалась структура, т. е. более элементарные составные части вещества. И каждый раз, когда физикам удавалось создать приборы, которые могли прощупать еще меньшие размеры, они обнаруживали еще более фундаментальные составные части — субструктуру, т. е. составные части известных ранее структурных элементов.

Цель физики частиц состоит в открытии самых основных составных частей вещества и самых фундаментальных физических законов, которым подчиняются эти составные части. Мы изучаем малые масштабы расстояний, потому что элементарные частицы взаимодействуют на этих расстояниях и фундаментальные силы легче разделить. На больших расстояниях базовые составные части связаны в сложные объекты, так что фундаментальные физические законы распутываются с трудом и становятся поэтому более смутными. Малые масштабы расстояний интересны потому, что там действуют новые принципы и связи.

Вещество — не просто матрешка, внутри которой находятся все меньшие и меньшие копии похожих куколок. На малых расстояниях обнаруживаются поистине новые явления. Даже функционирование человеческого организма — например, работу сердца и механизм кровообращения — люди плохо представляли себе до тех пор, пока ученые, такие как Уильям Гарвей, не произвели в 1600-х годах вскрытие человеческого тела и не заглянули внутрь. Недавние эксперименты проделали то же самое с веществом, исследуя малые расстояния, на которых новые миры взаимодействуют за счет более фундаментальных физических законов. И точно так же, как циркуляция крови имеет важное значение для функционирования всего организма, фундаментальные физические законы приводят к важным следствиям для нас на больших масштабах.

Мы знаем теперь, что все вещество состоит из атомов, которые за счет химических процессов объединяются в молекулы. Атомы очень малы, их размер порядка ангстрема или одной сотой части от миллионной доли сантиметра. Но атомы не фундаментальны, они состоят из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами (рис. 30). Ядро много меньше, чем атом, и занимает по размеру лишь одну стотысячную долю атома. Но положительно заряженное ядро само является составным. Оно содержит положительно заряженные протоны и нейтральные (незаряженные) нейтроны, которые вместе называют нуклонами и которые ненамного меньше самого ядра. Такова была картина устройства вещества, которая была принята учеными до 1960-х годов и которую вы, вполне возможно, изучали в школе.

Эта схема атома правильна, хотя, как мы увидим ниже, квантовая механика приводит к более интересной картине орбит электронов, чем любая картинка,

которую вы можете нарисовать. Но мы теперь знаем, что протоны и нейтроны не являются фундаментальными частицами. В противоположность приведенному во введении высказыванию Гамова, у протона и нейтрона есть субструктура, более фундаментальные составные части, известные как кварки. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон содержит два d-кварка и один и-кварк (рис. 31) [30]. Эти кварки связаны друг с другом ядерными силами, известными как сильное взаимодействие. Электрон, другой компонент атома, ведет себя иначе. Насколько мы можем судить, он фундаментален — электрон невозможно разделить на более мелкие частицы, он не содержит внутри себя никакой субструктуры.

Нобелевский лауреат, физик Стивен Вайнберг придумал название «Стандартная модель» для обозначения хорошо установленной теории в физике частиц, которая описывает взаимодействия этих фундаментальных строительных блоков вещества — электронов, и- и d-кварков, а также других фундаментальных частиц, к которым мы сейчас перейдем. Стандартная модель описывает также три из четырех сил, за счет которых взаимодействуют элементарные частицы: электромагнетизм, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие (гравитация обычно опускается).

Хотя гравитация и электромагнетизм были известны в течение столетий, вплоть до второй половины двадцатого века никто не понимал две последние, менее знакомые силы. Эти слабые и сильные взаимодействия влияют на фундаментальные частицы и очень важны для ядерных процессов. Они, например, позволяют кваркам связываться вместе, а нуклонам распадаться.