Теория всего

v Для практических вычислений, касающихся будничного мира, мы можем продолжать использовать классические теории, но если мы хотим понять поведение атомов и молекул, мы нуждаемся в квантовой версии теории электромагнетизма Максвелла; и если мы хотим понять раннюю Вселенную, когда вся материя и энергия во Вселенной были сжаты в маленький объем, у нас должна быть квантовая версия общей теории относительности. Мы нуждаемся в таких теориях также потому, что, если мы стремимся к пониманию принципов природы, было бы нелогично, если бы некоторые из законов были квантовыми, в то время как другие - классическими. Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы. Такие теории называют теориями квантового поля. Известные силы природы могут быть разделены на четыре класса: 1. Гравитация. Это самая слабая из четырех сил, но она - сила дальнего действия и воздействует на все во Вселенной в виде притяжения. Это означает, что для больших тел все гравитационные силы складываются и могут доминировать над всеми другими силами. 2. Электромагнетизм. Это также сила дальнего действия и намного более сильная, чем гравитация, но она действует только на электрически заряженные частицы, отталкивая заряды одинаковых знаков и притягивая заряды противоположных знаков. Это означает, что электрические силы в больших телах уравновешивают друг друга, но в масштабах атомов и молекул они преобладают. Электромагнитные силы ответственны за всю химию и биологию. 3. Слабое ядерное взаимодействие. Это сила является причиной радиоактивности и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звездах и ранней Вселенной. Мы, однако, не сталкиваемся с этой силой в нашей повседневной жизни. 4. Сильное ядерное взаимодействие. Эта сила удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре атома. Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, потому что они сделаны из еще более крошечных частиц, кварков, которые мы упоминали в Главе 3. Сильное взаимодействие - источник солнечной и ядерной энергии, но, как и со слабым взаимодействием, мы с ним напрямую не контактируем. Первая сила, для которой была создана квантовая версия, была электромагнетизмом. Квантовая теория электромагнитного поля, названная квантовым электромагнетизмом или для краткости QED, была разработана в 1940-ых Ричардом Фейнманом и другими, и стала моделью для всех квантовых теорий поля. Как мы сказали, согласно классическим теориям, силы переносятся полями. Но в квантовых теориях поля силовые поля описываются как составленные из различных элементарных частиц, названных бозонами, частицами, переносящими силу, которые летают туда-сюда между частицами материи, передавая силы. Частицы материи называют фермионами. Электроны и кварки - примеры фермионов. Фотон, или частица света - пример бозона. Это бозон, передающий электромагнитную силу. Происходит так, что частица материи, такая как электрон, испускает бозон, или частицу силы, и отскакивает от нее, почти так же, как орудие откатывается после выстрела пушечным ядром. Частица силы затем сталкивается с другой частицей материи и поглощается, меняя движение этой частицы. Согласно QED, все взаимодействия между заряженными частицами - частицами, чувствительными к электромагнитной силе - описываются в терминах обмена фотонами.

v Причина, по которой оказалось настолько трудным создать квантовую теорию гравитации, имеет отношение к принципу неопределенности Гейзенберга, который мы обсуждали в Главе 4. Это не очевидно, но оказывается, что с учетом этого принципа величина поля и скорость его изменения играют такую же роль, как положение и скорость частицы. Таким образом, чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое. Важное следствие этого в том, что нет такой вещи как пустота. Это потому что пустота означает, что и величина поля и скорость его изменения строго нулевые. (Если бы скорость изменения поля была не нулевой, то место не оставалось бы пустым). Так как принцип неопределенности не позволяет величине поля и скорости изменения быть точными, космос вовсе не пуст. У него может быть состояние минимума энергии, названное вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию или флуктуациям вакуума - частицы и поля дрожат туда-сюда относительно существования. “Помещая коробку вокруг всего этого, боюсь, мы не создаем Теорию Всего” Можно представить флуктуации вакуума как пару частиц, которые одновременно появляются в какой-то момент, расходятся, а затем объединяются и аннигилируют друг друга. Выраженные диаграммами Фейнмана, они представляют собой замкнутые контуры. Эти частицы называют виртуальными частицами. В отличие от реальных, виртуальные частицы не могут наблюдаться непосредственно детектором частиц. Однако их косвенные эффекты, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, могут быть измерены и согласуются с теоретическими предсказаниями до замечательной степени точности. Проблема состоит в том, что виртуальные частицы имеют энергию, и поскольку существует бесконечное число виртуальных пар, у них было бы бесконечное количество энергии. Согласно общей относительности, это означает, что они искривили бы Вселенную к бесконечно малый размер, чего очевидно не происходит!

v Идея суперсимметрии была ключом к созданию супергравитации, но понятие фактически возникло несколькими годами ранее у теоретиков, изучающих неоперившуюся теорию, названную теорией струн. Согласно теории струн, частицы - это не точки, а паттерны колебаний, у которых есть длина, но нет высоты или ширины - подобно бесконечно тонким струнам. Теории струн также приводят к бесконечностям, но полагают, что в правильной версии все они сократятся. У них есть другая необычная особенность. Они непротиворечивы, только если пространство-временя имеет десять измерений вместо обычных четырех. Десять измерений могли бы казаться захватывающими, но они вызвали бы реальные проблемы, если бы Вы забыли, где оставили свой автомобиль. Если они существуют, почему мы не замечаем эти лишние измерения? Согласно теории струн, они скручены в пространство очень небольшого размера. Чтобы изобразить это, представьте себе двумерный самолет. Мы называем самолет двумерным, потому что нужно два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты), чтобы определить местоположение любой точки на нем. Другое двумерное пространство - поверхность соломинки. Чтобы определить местоположение точки в этом пространстве, нужно знать, где точка вдоль соломинки, а также какова ее круговая координата. Но если бы соломинка была очень тонкой, Вы бы отлично приблизительно установили расположение, используя только координату, проходящую вдоль соломинки, поэтому Вы могли бы не учитывать круговое измерение. И если бы соломинка была "одной миллион- -миллион- миллион-миллион-миллионной" дюйма в диаметре, то Вы не заметили бы кругового измерения вообще. Это - картина, благодаря которой теоретики струн имеют дополнительные измерения — они сильно изогнуты или закручены, в масштабе настолько маленьком, что мы их не видим. В теории струн дополнительные измерения свернуты в то, что называют внутренним пространством, в противоположность трехмерному пространству, которое мы изведываем в повседневной жизни. Как мы увидим, эти внутренние состояния - не просто скрытые, смятые измерения — у них есть важное физическое значение. В дополнение к вопросу об измерениях, теория струн пострадала от другой нелепой проблемы. Казалось, было по крайней мере пять различных теорий и миллионы способов, которыми могли быть свернуты дополнительные измерения, что было настоящей помехой для перспектив тех, кто отстаивал, что теория струн была уникальной теорией всего. Затем, приблизительно в 1994 году, люди начали обнаруживать дуальности — что различные теории струн и различные способы свернуть дополнительные измерения являются просто различными способами описать одни и те же явления в четырех измерениях. Кроме того, они обнаружили, что супергравитация также связана таким способом с другими теориями. Теоретики струн теперь убеждены, что пять различных теорий струн и супергравитация - только различные приближения к более фундаментальной теории, каждая справедлива в различных ситуациях. Эту более фундаментальную теорию называют М- теорией, как мы упоминали ранее. Никто, похоже, не знает, что означает "М": может быть "материнская", "магическая" или "мистическая". Похоже, все три. Люди все еще пытаются разгадать природу М-теории, но, может быть, это невозможно. Может статься, что традиционное ожидание физиков единственной теории природы необоснованно, и единственной формулировки не существует. Быть может, чтобы описать Вселенную, нам придѐтся в разных ситуациях применять различные теории. У каждой теории может быть своя собственная версия действительности, но, согласно модельно-ориентированному реализму, это приемлемо, поскольку теории согласуются в своих предсказаниях всякий раз, когда они частично совпадают, то есть всякий раз, когда они могут обе быть применены. Вне зависимости от того, существует ли М-теория как единая формула или представляет собой лишь систему, мы знаем о некоторых еѐ свойствах. Во- первых, в М-теории одиннадцать пространственно- временных измерений, вместо десяти. Теоретики струн давно подозревали, что предсказание о десяти измерениях придѐтся подкорректировать и недавние исследования показали, что действительно - одно измерение было пропущено. Также, в М-теории могут быть не только вибрирующие струны, но ещѐ и точки- частицы, двумерные мембраны, трѐхмерные пузыри и другие объекты, более сложные в изображении и занимающие даже больше измерений пространства, вплоть до девяти. Такие объекты называют p-бранами (где p изменяется от 0 до 9). Соломки и Линии. Соломка является двумерной, но если еѐ диаметр мал, или мы смотрим на неѐ издалека, она кажется одномерной, как линия. А что на счет гигантского количества путей свертывания крошечных измерений? В М-теории такие дополнительные измерения не могут быть свернуты как угодно. Математический аппарат теории ограничивает способы, которыми могут быть свернуты измерения внутреннего пространства. Конкретная форма внутренних измерений определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами. Другими словами - она определяет действительные законы природы. Мы говорим "действительные" потому, что мы имеем в виду законы, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной - законы четырех сил и параметров, таких как масса и заряд, характеризующих элементарные частицы. Но более фундаментальные законы - законы М-теории. Законы М-теории поэтому учитывают различные вселенные с различными наблюдаемыми законами, в зависимости от того, как закручено внутреннее пространство. У М-теории есть решения, которые учитывают многие различные внутренние пространства, возможно, целых 10^500, что означает, что она допускает 10^500 различных вселенных, каждую со своими собственными законами. Чтобы понять, насколько это много, подумайте вот о чем. Если бы некое существо могло анализировать законы, предсказанные для каждой из тех вселенных, всего лишь за одну миллисекунду, и начало бы работать над ними вслед за Большим Взрывом, в настоящее время это существо рассмотрело бы лишь 10^20 из них. И это без перерывов на кофе. Столетиями ранее, Ньютон доказал, что математические уравнения могут предоставить поразительно точные описания взаимодействий объектов, как на Земле, так и в небе. Учѐных привели к вере в то, что будущее всей Вселенной откроется их взору, лишь только мы узнаем правильную теорию и будем иметь достаточно компьютерных мощностей. Потом пришла квантовая неопределѐнность, искривлѐнное пространство, кварки, струны с лишними измерениями, и общее количество вселенных из них - 10^500, каждая со своими законами и лишь одна из которых соотносится со Вселенной, которая известна нам. От исконной надежды физиков - выработать единую теорию, объясняющую действительные законы нашей Вселенной как уникальную вероятность последствия нескольких простых допущений - следует отказаться. Что же это нам даѐт? Если М-теория допускает 10^500 различных случаев действительных законов, как же мы оказались именно в этой Вселенной, с законами действительными для нас? И как насчѐт тех, других возможных миров?