Открытые вопросы
На протяжении многих лет предсказания Стандартной модели проверялись с невероятно высокой точностью снова и снова. По этому критерию она является чрезвычайно успешной теорией, объясняющей все: от магнитов на холодильник до солнечного излучения. Она предлагает беспрецедентное объединение трех фундаментальных сил природы из четырех. Только гравитацию не удалось включить в эту теорию.
Такой же степенью достоверности обладает и общая теория относительности. Многочисленные высокоточные эксперименты подтвердили многие предсказания виртуозной теории гравитации, предложенной Эйнштейном. Возьмем, например, недавние спутниковые измерения явления, называемого увлечением инерциальных систем отсчета и предложенного старым другом Шрёдингера Хансом Тиррингом и австрийским физиком Йозефом Лензе еще в 1918 году. Эффект Лензе — Тирринга предсказывает искривление пространства-времени вблизи Земли из-за ее вращения. Единственное крупное предсказание общей теории относительности, которое еще прямо не подтверждено, — это существование гравитационных волн, описанных Эйнштейном также в 1918 году
[19].
Объедините Стандартную модель с общей теорией относительности — и вы получите эффективный набор инструментов для изучения множества явлений природы. Но будет ли его достаточно? Нет. Имеется несколько важных феноменов, которые ни одна из этих теорий объяснить не может. Темная энергия — фактор, отвечающий за ускоренное расширение Вселенной, и темная материя — невидимая субстанция, которая удерживает галактики, чтобы они не разлетались, — вот тайны, аналогичные тем, которым бросили вызов пионеры квантовой физики. Я уже писал, что темная энергия как будто соответствует понятию космологической постоянной, предложенной (и позже отвергнутой) Эйнштейном, необходимость которой позже отстаивал Шрёдингер. Однако никто не понимает физическую природу темной энергии, которая действует как своего рода антигравитация.
Природа темной материи — еще одна загадка современности. Впервые обнаруженная еще в 1930-е годы швейцарским астрономом Фрицем Цвикки при изучении скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, темная материя представляет собой невидимую массу, необходимую для гравитационной стабильности астрономических структур. Поскольку научное сообщество не придало особого значения наблюдениям Цвикки, потребовались еще полвека, прежде чем начались серьезные исследования природы темной материи. Импульсом к ним послужило открытие астрономами Верой Рубин и Кентом Фордом того факта, что в Туманности Андромеды и других галактиках не хватает видимого вещества для обеспечения высокой скорости движения периферийных звезд, которая выводилась из наблюдений за вращением галактик. Кажется, что галактики вращаются, как карусели, у которых быстрые, отдаленные от центра, лошадки разгоняются невидимыми механизмами. Начиная с 1980-хгодов физики и астрономы ведут поиски тусклых астрономических объектов и/или невидимых частиц, способных создать достаточно сильное гравитационное поле, чтобы их можно было причислить к темной материи. В последнее время ученые сосредоточили свое внимание на поиске холодных (медленно движущихся) частиц темной материи, которые участвуют в слабом и гравитационном взаимодействиях, но не участвуют в электромагнитном (отсюда их невидимость). Поиски таких частиц проводились в переоборудованных тоннелях шахт глубоко под землей, чтобы избежать «шума» от обычных частиц, а также экранироваться от космического излучения. На момент написания этой книги убедительные доказательства существования частиц темной материи так и не были получены.
Если бы темная энергия и темная материя были достаточно редкими явлениями, то, возможно, мы могли бы не торопиться с их объяснением и заняться другими нерешенными физическими проблемами. Но дело в том, что вместе они составляют 95% всей массы во Вселенной. Согласно последним астрономическим расчетам, 68% массы Вселенной — это темная энергия, 27% — это темная материя и лишь 5% — это то, что можно объяснить с помощью Стандартной модели и общей теории относительности. Некоторые ученые предлагают идти путем Эйнштейна и модифицировать общую теорию относительности. Однако большая часть физического сообщества признает потрясающую успешность и Стандартной модели, и общей теории относительности в описании того, что мы реально можем наблюдать. Желание не испортить достигнутый успех ставит перед физиками сложный вопрос: как продвинуться дальше и, возможно, даже объединить эти два шедевра XX века.
Вопросы о темных субстанциях Вселенной не единственные, на которые не дает ответа Стандартная модель. Почему одни частицы (кварки) участвуют в сильном взаимодействии, а другие частицы (лептоны) — нет? Можетли наука объяснить, почему в наблюдаемой части Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии? Почему существуют только три поколения элементарных частиц, и почему они имеют именно такие массы? Существует ли преобразование симметрии, которое обеспечивает связь между частицами материи (фермионами) и переносчиками взаимодействий (бозонами)? Это лишь некоторые из множества открытых на сегодняшний день проблем в физике элементарных частиц.
Мечты о геометрии, симметрии и единстве
В последние десятилетия наблюдается всплеск интереса к объединению всего во Вселенной при помощи чистой геометрии — тому, что было мечтой Эйнштейна, Шрёдингера, Эддингтона, Гильберта и других великих физиков. Кажется, что каждый раз, когда наука далеко уходит от идеалистичной мысли Пифагора о том, что «все есть число», находятся ученые-теоретики, которые стремятся вернуть ее обратно.
Сегодня большинство теоретиков представляют себе не волны материи (де Бройля/Шрёдингера), колеблющиеся на атомном масштабе, а струны (одномерные нити) и мембраны (многомерные поверхности), вибрирующие на гораздо более мелких масштабах. Эти струны и мембраны являются чисто геометрическими структурами, которые за счет своих вибраций и кручений порождают все известные свойства частиц. Теория струн — это довольно обширная тема. Давайте ее кратко рассмотрим.
Первоначальным импульсом к возникновению теории струн послужила неудачная попытка японского физика Йоитиро Намбу и его коллег в конце 1960-х и начале 1970-хгодов (еще до того, как родилась идея глюонов) представить механизм сильного взаимодействия в виде модели, где частицы соединялись друг с другом посредством гибких энергетических нитей Эти бозонные струны, как они их называли, действовали наподобие собачьего поводка, удерживая частицу в крошечной области ядерного масштаба, но при этом не ограничивая свободу в пределах «поводка».
В 1971 году французский физик Пьер Рамон обнаружил способ описания фермионов — тоже в виде струн. Он разработал метод, получивший название суперсимметрия, в котором бозонные струны могли быть преобразованы в фермионные путем вращения в некотором абстрактном пространстве. Его открытие вдохновило теоретиков Джона Шварца и Андре Неве на разработку универсальной теории, описывающей строительные блоки материи (фермионы) и частицы-переносчики взаимодействий (бозоны) с помощью струн, колеблющихся всевозможными способами. Этим универсальным объектам был присвоен титул суперструн. Один специфический аспект теории суперструн заключается в том, что она математически полна (за исключением слагаемых, которые рассматриваются как нефизические) только в пространстве десяти или более измерений. Ранее в этом же году физик Клод Лавлейс показал, что бозонные струны требуют двадцати шести измерений, так что сокращение необходимых измерений до десяти было похоже на улучшение теории.
