Маленькая книга о большой теории струн: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Масса определяет количество вещества. Часто массу отождествляют с весом, но это неправильно. Весом мы обладаем, находясь на поверхности Земли, но, оказавшись в невесомости, мы потеряем вес, в то время как наша масса никуда не исчезнет. Большая часть массы окружающих нас предметов сосредоточена в протонах и нейтронах и ещё небольшая добавка — в электронах. Таким образом, когда мы говорим о массе обычных предметов, мы фактически говорим о числе нуклонов, из которых эти объекты состоят. Нуклонами называются частицы, составляющие атомное ядро: протоны и нейтроны. Моя масса составляет примерно 75 килограммов. Это означает, что я состою приблизительно из 50 000 000 000 000 000 000 000 000 000 нуклонов. Оперировать с такими большими числами не очень удобно: того и гляди запутаешься в нулях. Поэтому люди придумали так называемую научную, или экспоненциальную, форму представления чисел, подобных тому, что я только что записал. В экспоненциальной форме это число будет выглядеть как 5×1028. Степень 28 означает, что за пятёркой следуют 28 нулей. Давайте немного попрактикуемся. Один миллион будет записан как 1×106 или просто 106. Государственный долг США, составляющий $18 000 000 000 000, можно записать в виде: 1,8×1013 долларов. А если бы я мог получить хотя бы по одному центу за каждый нуклон своего тела...

Теперь вернёмся к размерностям физических величин. Скорость является переводным коэффициентом между временем и расстоянием. Предположим, вы пробежали 10 метров за одну секунду. Для человека это быстро. Очень быстро. За 10 секунд вы могли бы пробежать 100 метров. Это, конечно, не олимпийский рекорд, но очень близко к нему. Допустим, вы способны сохранять такую скорость на протяжении всей дистанции. За какое время вам удалось бы пробежать километр? Давайте подсчитаем. Один километр — это десять раз по 100 метров. Каждый стометровый участок вы пробегаете за 10 секунд, значит, на то, чтобы преодолеть километр, вам понадобится 100 секунд. Сухопутную милю вы пробежали бы за 161 секунду или за 2 минуты 41 секунду. Никто не способен на такое, потому что ни один человек не сможет бежать со скоростью 10 метров в секунду столь продолжительное время.

Но допустим, вам это удастся. Способны ли вы заметить эффект замедления времени, о котором я уже упоминал? Только не на такой короткой дистанции. Время будет идти для вас чуточку медленнее, и вы потратите на преодоление мили чуть меньше, чем 2:41, но всего лишь на 1/10¹⁵-ю (одну 1 000 000 000 000 000-ю или «одну тысяча миллион миллионную»). Чтобы сделать этот эффект более заметным, вы должны двигаться очень-очень быстро. Для частиц, бегающих в современных ускорителях, время течёт в 1000 раз медленнее, чем для покоящихся. Точное значение коэффициента замедления времени зависит от возможностей каждого конкретного ускорителя.

Скорость света является неудобным переводным коэффициентом для использования в повседневной жизни, потому что она очень велика. Световой луч способен обогнуть Землю по экватору всего за 0,1 секунды. Поэтому американцы могут разговаривать по телефону с индийскими коллегами, не замечая существенной временной задержки. Более полезным свет становится, когда нам приходится оперировать по-настоящему большими расстояниями. Расстояние от Земли до Луны свет проходит примерно за 1,3 секунды, а расстояние от Солнца до Земли — примерно за 500 секунд.

Ещё большим расстоянием является световой год: как нетрудно догадаться, это расстояние, которое проходит световой луч за один год. Диаметр нашей Галактики составляет примерно 100 000 световых лет, а размер известной нам части Вселенной равен почти 14 миллиардам световых лет, что составляет примерно 1,3×10²⁶ метров.

E = mc2

Уравнение E = mc2 определяет соотношение между массой и энергией. Оно работает так же, как и соотношение между временем и расстоянием, которое мы только что обсуждали. Но что есть энергия? Это непростой вопрос, поскольку существует множество форм энергии. Энергия движения, энергия тепла, энергия электричества, энергия света... Все эти вещи могут быть преобразованы одна в другую. Например, электрическая лампочка преобразует электричество в свет и тепло, а электрический генератор преобразует механическое движение в электричество. Фундаментальный физический принцип гласит, что полная энергия всегда сохраняется, даже если она при этом переходит из одной формы в другую. Чтобы лучше понять этот принцип, давайте посчитаем, что при этом происходит.

Хорошей отправной точкой для нашего расчёта будет энергия механического движения, называемая кинетической. Выражение для кинетической энергии: K = ½mv2, где K — это кинетическая энергия, m — масса, а v — скорость. Снова представьте себя олимпийским спринтером. Приложив нечеловеческие физические усилия, вы разогнались до скорости 10 метров в секунду. Но это намного меньше скорости света, следовательно, ваша кинетическая энергия намного меньше E из уравнения E = mc2. Что это означает?

Понять это вам поможет знание, что формула E = mc2 описывает энергию покоя. Энергия покоя — это энергия, которой обладает тело, когда оно не движется. Начиная разбег, вы преобразуете малую часть вашей энергии покоя в кинетическую энергию. Очень-очень малую часть, составляющую всего одну 1015-ю энергии покоя. То, что на такую же величину — на одну 1015-ю — замедляется время во время вашего бега, — отнюдь не случайное совпадение. Теория относительности содержит точные соотношения между величиной замедления времени и кинетической энергией. В частности, она утверждает, что если тело движется настолько быстро, что его энергия удваивается, то время для него течёт с вдвое меньшей скоростью, чем для покоящегося тела.

Мысль о том, что, имея в своём распоряжении всю энергию покоя, вы ценой невероятных усилий приобретаете кинетическую энергию, составляющую всего лишь 1/10¹⁵ от исходной энергии, несколько обескураживает. Нельзя ли преобразовать в движение существенно большую часть энергии покоя? Лучшее из известных нам решений — это использование ядерной энергии.

Наше понимание ядерной энергии основывается непосредственно на уравнении E = mc2. Сейчас объясню. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Ядро атома водорода состоит из одного протона, а ядро атома гелия — из двух протонов и двух нейтронов, сильно связанных между собой. Сильная связь означает, что требуется очень много энергии, для того чтобы расщепить ядро гелия. Некоторые ядра расщепить гораздо проще, например ядро урана-235, состоящее из 92 протонов и 143 нейтронов. Достаточно ударить по ядру урана-235 одним нейтроном, и оно развалится на ядро бария, ядро криптона, три нейтрона и выделит при этом энергию. Мы можем записать эту реакцию ядерного распада в виде:

U + n → Kr + Ba + 3n + энергия,

где U обозначает уран-235, Kr — криптон, Ba — барий, а n — нейтрон. Обратите внимание, что я везде уточняю, что мы имеем дело именно с ураном-235, потому что существует другой изотоп урана — уран-238, очень похожий на уран-235, но расщепить его ядро гораздо труднее.

E = mc2 позволяет нам вычислить общее количество освобождаемой в этой реакции энергии, посчитав массы всех участников реакции. Мы получим, что суммарная масса исходных компонентов (ядра урана-235 и нейтрона) превышает суммарную массу продуктов реакции (ядра криптона, ядра бария и трёх нейтронов) приблизительно на одну пятую массы протона. Подставив эту небольшую разницу в массе в уравнение E = mc2, мы вычислим количество освобождённой в реакции энергии. Разница в массе на первый взгляд невелика: одна пятая массы протона составляет порядка 0,1% (одну тысячную) массы ядра урана-235. Таким образом, при расщеплении ядра урана высвобождается одна тысячная его энергии покоя. И хотя эта доля и не кажется существенной, она в триллион раз больше, чем та относительная часть энергии покоя, которая была преобразована в кинетическую энергию олимпийским спринтером.

Я ещё не рассказал, откуда берётся энергия, высвобождаемая при ядерном распаде. Общее количество нуклонов не изменяется: их 236 как до реакции, так и после. И всё же суммарная масса вступающих в реакцию частиц больше, чем суммарная масса продуктов реакции. Это очень важное исключение из правила, согласно которому масса — это, в сущности, количество нуклонов. Дело в том, что нуклоны в ядрах бария и криптона связаны гораздо сильнее, чем в ядре урана-235. Более сильная связь означает меньшую массу. Слабо связанное ядро урана-235 имеет небольшой избыток массы, ожидающий освобождения в виде энергии. По сути, энергия при ядерном распаде освобождается за счёт перегруппировки протонов и нейтронов в более плотную упаковку.

Один из проектов в современной ядерной физике ставит перед собой цель узнать, что произойдёт, если заставить тяжёлые ядра типа ядер урана участвовать в гораздо более бурно протекающих реакциях, чем обычные реакции распада, описанные выше. По причинам, в которые я не стану вдаваться, экспериментаторы больше предпочитают работать с ядрами золота, чем с ядрами урана. Когда два ядра золота сталкиваются на скоростях, близких к скорости света, они полностью разрушаются. В главе 8 я подробно расскажу о плотном и горячем состоянии вещества, которое образуется в ходе этой реакции.

Таким образом, уравнение E = mc2 говорит нам о том, что энергия покоя чего угодно зависит только от его массы, поскольку скорость света является константой. Извлечь часть этой энергии из урана-235 проще, чем из большинства других веществ. Но с фундаментальной точки зрения энергия покоя присуща всем формам материи — она есть и у камней, и у воздуха, и у воды, и у деревьев, и у людей.

Прежде чем мы перейдём к квантовой механике, позвольте мне сделать небольшое отступление и рассмотреть уравнение E = mc2 в более широком контексте. Это уравнение фигурирует в специальной теории относительности, изучающей влияние движения на измерения времени и пространственных координат. Специальная теория относительности в свою очередь является подмножеством Общей теории относительности, описывающей гравитацию и искривлённое пространство-время. Теория струн является частью Общей теории относительности и квантовой механики и также включает уравнение E = mc2. Струны, браны и чёрные дыры — все повинуются этому уравнению. Например, в пятой главе я покажу, как тепловая энергия браны вносит вклад в её массу. Было бы неправильно утверждать, что уравнение E = mc2 следует из теории струн, но оно неразрывно связано с другими аспектами её математического каркаса.

Глава 2

Квантовая механика

Получив степень бакалавра по физике, я провёл год в Кембридже, изучая физику и математику. Кембридж — это место с зелёными лужайками, свинцовым небом и многовековыми традициями высокой научной школы. Я учился в колледже Св. Иоанна, история которого насчитывает пять веков. Помню, там был прекрасный рояль, стоявший на одном из верхних этажей первого корпуса — старейшего здания Кембриджа. В числе вещей, которые я на нём исполнял, был «Экспромт-фантазия» Шопена. Главная часть этого произведения содержит два ритмических рисунка — полиритмию 4:3. Партии обеих рук исполняются в одном темпе, но на каждые четыре ноты для правой руки приходятся три ноты для левой, что придаёт всей композиции эфирное, текучее звучание.

Это прекрасная часть, и она заставляет меня размышлять о квантовой механике. Чтобы объяснить почему, мне придётся сначала рассказать немного об этой замечательной теории, но я не собираюсь излагать квантовую механику целиком, а только скажу о тех концепциях, которые вызывают у меня реминисценции с музыкой, такой как «Экспромт-фантазия» Шопена.

В квантовой механике возможны любые движения, но некоторые — предпочтительнее остальных. Эти предпочтительные движения называются квантовыми состояниями. Они обладают определёнными частотами. Частота — это количество раз в секунду, которые что-то поворачивается или повторяется. В «Экспромт-фантазии» партия правой руки имеет более высокую частоту, чем партия левой руки, и эти частоты относятся как четыре к трём. То, что «вращается» в квантовой механике, имеет более абстрактную природу. Технически — это фаза волновой функции. Вы можете думать о волновой функции как о секундной стрелке часов, которая делает полный оборот за одну минуту. Фаза волновой функции делает то же, что и секундная стрелка, — вращается, только с гораздо более высокой частотой. Скорость этого вращения характеризует энергию системы, о чём я позже расскажу более подробно. Простые квантовые системы, такие как атом водорода, обладают частотами, находящимися в достаточно простых отношениях друг к другу. Например, фаза одного квантового состояния может сделать девять оборотов, в то время как фаза другого — четыре. Это очень похоже на полиритмию 4:3 шопеновской «Экспромт-фантазии». Но частоты в квантовой механике гораздо более высокие. Например, характерная частота атома водорода имеет порядок 1015 оборотов в секунду. Это намного быстрее, чем исполнение «Экспромт-фантазии», где правая рука играет не более 12 нот в секунду.

Ритмическое обаяние «Экспромт-фантазии» вряд ли можно назвать её главным очарованием — по крайней мере, не в моём исполнении. Её мелодия парит над печальными басами, а ноты сливаются вместе в хроматическом размытии. При этом гармония медленно смещается, оттеняя отрывочное порхание главной темы. Субтильная полиритмия 4:3 обеспечивает лишь фон для самого запоминающегося произведения Шопена. Так же и квантовая механика, имея в своей основе дискретный набор осциллирующих квантовых состояний, на макроуровне размывается в красочный и сложный мир, доступный нашему непосредственному восприятию. Эти квантовые частоты имеют совершенно реальное отражение в нашем мире. Например, жёлто-оранжевый свет уличного фонаря имеет определённую частоту, связанную с колебаниями электронов в атомах натрия. Именно эта частота и определяет оранжевый цвет фонаря.

В оставшейся части главы я сфокусируюсь на трёх аспектах квантовой механики: на принципе неопределённости, на атоме водорода и на фотонах. По ходу дела мы столкнёмся с энергией в её новом квантово-механическом амплуа, тесно связанном с частотой. Аналогия с музыкой очень удачна для объяснения роли частоты в квантовой механике, но, как мы увидим в следующем разделе, эта теория содержит и другие ключевые идеи, для объяснения которых не так легко найти аналогии в повседневной жизни.

Неопределённость

Принцип неопределённости является одним из краеугольных камней квантовой механики. Он утверждает, что положение частицы и её импульс никогда не могут быть измерены одновременно. Предыдущее утверждение не вполне корректно, поэтому позвольте мне объяснить более развёрнуто. При любом измерении координаты мы имеем некоторую неопределённость результата, обозначаемую как Δx (произносится «дельта икс»). Допустим, измеряя отрез ткани мягким портновским метром, вы способны определить его длину с точностью не более 0,5 см. Тогда неопределённость вашего измерения составит: Δx ≈ 0,5 см. Это означает, что «дельта икс» составляет приблизительно полсантиметра. Портной может позвонить своему коллеге и сказать: «Гена, отрез ткани, который ты мне прислал, имеет длину два метра с точностью до полусантиметра». (Разумеется, я имею в виду европейского портного, потому что американские портные оперировали бы футами и дюймами.) Другими словами, портной считает, что длина отреза ткани составляет x = 2 м, а неопределённость этой длины: Δx ≈ 0,5 см.

С импульсом мы все хорошо знакомы, но лучше понять, что это за зверь, можно, посмотрев глазами физика на столкновение двух тел. Если два бильярдных шара столкнулись лоб в лоб и полностью остановились, значит, до столкновения они имели одинаковые импульсы. Если после столкновения один шар всё ещё движется в первоначальном направлении, но медленнее, значит, он имел больший импульс, чем второй. Импульс и масса связаны простой формулой: p = mv. Но давайте пока не будем углубляться в детали. Суть в том, что импульс является чем-то, что вы можете измерить, и это измерение имеет некоторую неопределённость, которую мы обозначим как Δp.

Принцип неопределённости утверждает, что Δp × Δx ≥ h/4π, где h — некоторая константа, называемая постоянной Планка, а π = 3,14159... — хорошо известное нам соотношение между длиной окружности и её диаметром. Я предпочитаю произносить: «дельта пэ дельта икс больше или равно аш на четыре пи», но если вы предпочитаете «научно-литературный» физико-математический язык, то вам следует говорить: «произведение неопределённостей импульса и координаты частицы не меньше отношения постоянной Планка к четырём пи». Теперь, надеюсь, понятно, почему я сказал, что утверждение, приведённое в начале этого раздела, не вполне корректно: вы можете одновременно измерить координату и импульс частицы, но неопределённость этих двух измерений никогда не может быть меньше, чем допускает уравнение Δp × Δx ≥ h/4π.

Чтобы лучше понять, как работает принцип неопределённости, представьте себе, что мы поймали частицу в ловушку, имеющую размер Δx. Положение частицы известно нам теперь с неопределённостью Δx (при условии, что частица находится внутри ловушки). Принцип неопределённости утверждает, что мы не можем узнать величину импульса этой частицы с точностью большей, чем позволяет упомянутое выше соотношение. Количественно неопределённость импульса должна быть такой, чтобы удовлетворить неравенству Δp × Δx ≥ h/4π. Как мы увидим в следующем разделе, прекрасный пример реализации принципа неопределённости представляет собой атом. Более наглядный пример привести трудно, поскольку типичная неопределённость координаты гораздо меньше, чем размер любого предмета, который можно взять в руки. Это происходит из-за того, что величина постоянной Планка крайне мала. Мы вернёмся к ней ещё раз, когда будем говорить о фотонах, и тогда я сообщу вам её численное значение.

Несмотря на то что обычно при обсуждении принципа неопределённости мы говорим об измерениях координат и импульса, его суть гораздо глубже. Он представляет собой внутреннее ограничение, накладываемое на понятия координаты и импульса. В конечном итоге импульсы и координаты — это не числа. Это более сложные объекты, называемые операторами; и я не стану пытаться их здесь описывать, а только скажу, что операторы являются широко используемыми математическими конструкциями, только более сложными, чем числа. Принцип неопределённости вытекает из различия между числами и операторами. Величина Δx — это не просто неопределённость измерения координаты, это фундаментальная неустранимая неопределённость положения частицы. Иными словами, принцип неопределённости отражает не недостаток информации, а фундаментальную «нечёткость» субатомного мира.