Страх физики. Сферический конь в вакууме: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В 1971 году голландский физик Герард ’т Хоофт, ещё будучи аспирантом, показал, что механизм возникновения масс W- и Z-бозонов является математически и физически согласованным. В 1979 году Глэшоу, Салам и Вайнберг удостоились за свою теорию Нобелевской премии, а 1984 году W- и Z-бозоны были обнаружены экспериментально на большом ускорителе в ЦЕРНе, и их массы очень хорошо совпали с предсказанными. Наконец, в 1999 году получил Нобелевскую премию и сам 'т Хоофт, который вместе со своим научным руководителем Мартинусом Вельтманом показал, что теория Глэшоу — Вайнберга — Салама самосогласованна.

Но этим результатом дело не ограничилось. Успех объединения слабого и электромагнитного взаимодействий в единую силу, получившую название электрослабого взаимодействия, оказался сильным искушением для физиков попытаться таким же образом свести воедино все известные фундаментальные взаимодействия. Теория сильного взаимодействия, разработанная после теоретического открытия асимптотической свободы, о которой я рассказывал в главе 1, имеет точно такую же общую форму, как и электрослабая теория. Теории подобного типа получили название калибровочных. Это название тоже имеет историю, связанную с попытками рассмотрения разных сил как различных проявлений одной и той же физической сущности.

Ещё в 1918 году физик и математик Герман Вейль, обратив внимание на сходство уравнений гравитационного и электромагнитного поля, предположил, что гравитация и электромагнетизм могут быть сведены в единую теорию. Он назвал объединяющую их особенность калибровочной симметрией, связанной с тем, что в общей теории относительности, как мы вскоре увидим, калибровка, или масштаб шкал измерительных приборов, используемых различными наблюдателями, может быть произвольно изменён, и это изменение не сказывается на общем характере законов гравитации.

Математически то же самое происходит и при измерении различными наблюдателями величины электрического заряда в электродинамике. Вейль попытался связать таким способом классическую электродинамику и гравитацию, но не преуспел в этом. Однако созданный им математический аппарат оказался востребован при создании квантовой электродинамики, и калибровочная симметрия легла в основу теорий слабых и сильных взаимодействий. Сегодня калибровочная симметрия является ключевой идеей большинства попыток создания квантовой теории гравитации и объединения её с другими взаимодействиями.

Электрослабая теория и основанная на асимптотической свободе теория сильного взаимодействия вместе образовали так называемую Стандартную модель физики элементарных частиц. Все эксперименты, поставленные за последующие двадцать лет, находились в прекрасном согласии с этими теориями. Всё, что оставалось сделать для окончательного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий — это открыть истинную природу когерентного квантового состояния окружающего нас моря виртуальных частиц, ответственных, как предполагалось, за возникновение масс W- и Z-бозонов. Попутно было бы неплохо, чтобы тот же механизм отвечали за возникновение масс всех остальных частиц. Самые большие надежды в этом деле возлагались на БАК.

Как физик-теоретик я был буквально потрясён этой сверкающей, в каком-то смысле даже эзотерической реальностью, скрытой под миром элементарных частиц. С другой стороны, из разговоров со своей женой я знаю, что для большинства людей подобная реальность выглядит слишком далёкой от повседневной жизни, чтобы потрясти их воображение, несмотря на то что сам факт нашего существования неразрывно связан с этой скрытой реальностью. Если известные частицы не будут иметь в точности те массы, которые они имеют, например, если нейтрон не будет на одну тысячную тяжелее протона, жизнь в том виде, в котором она нам известна, не сможет существовать. Из-за того что протон легче нейтрона, он стабилен, по крайней мере в масштабах времени существования Вселенной. Водород, состоящий из одного протона и одного электрона, самый распространённый химический элемент во Вселенной, являющийся топливом для звёзд и, наряду с углеродом, — основным элементом органических молекул, тоже стабилен благодаря стабильности протона. Кроме того, если разность масс нейтрона и протона будет чуть больше, чем она есть, это нарушит хрупкое равновесие ядерных реакций на ранних стадиях существования Вселенной, благодаря которому образовалось большинство лёгких элементов. Лёгкие элементы сыграли ключевую роль в эволюции звёзд первого поколения, из остатков которых спустя 5–10 миллиардов лет сформировались звёзды второго поколения, в число коих входит и наше Солнце, а также планеты и наши собственные тела. Я никогда не перестаю удивляться тому, что каждый атом в моём теле когда-то родился в недрах звёзд первого поколения или при взрывах далёких сверхновых. Мы в буквальном смысле являемся детьми звёзд! Указанная разность масс элементарных частиц определяет и ход термоядерных реакций в ядре Солнца, обеспечивающего нас необходимой для жизни энергией. Наконец, вес, измеряемый напольными весами в вашей ванной комнате, определяется суммой масс всех элементарных частиц, из которых вы состоите.

Как ни сильна связь между царством частиц и нашим собственным, развитие физики XX века происходило не только в направлении изучения явлений, находящихся вне нашего прямого восприятия. Поэтому вернёмся из микромира к более привычным масштабам.

Что может быть более непосредственным для восприятия, чем пространство и время? Они образуют главную часть человеческого когнитивного окружения. Наиболее характерные особенности поведения животных выражаются в пространственно-временных изменениях. Например, котёнок совершенно спокойно гуляет по листу оргстекла, закрывающему люк, но до определённого возраста, начиная с которого кошки начинают воспринимать пустое пространство под ногами как опасность. Тем более удивительно, что мы открыли тесную связь между пространством и временем только в начале XX века, и до этого никто о такой связи даже не подозревал. Мало кто возьмётся оспаривать, что обнаружение Альбертом Эйнштейном такой связи и создание специальной и общей теории относительности является одним из выдающихся интеллектуальных достижений нашего времени. Метафорически его открытие поразительно похоже на озарение обитателя Платоновой пещеры.

Как уже говорилось, Эйнштейн хотел согласовать уравнения Максвелла с принципом относительности. Напомню, что в теории Максвелла скорость света может быть получена из двух фундаментальных констант, одна из которых определяет силу электрического взаимодействия между двумя зарядами, а другая — силу магнитного взаимодействия между двумя магнитами. Принцип относительности Галилея подразумевает, что эти константы должны быть одинаковыми для любых двух наблюдателей, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью. Но это также означает, что любой наблюдатель должен при измерении скорости света получать одно и то же значение, независимо от того, как он движется относительно источника света. Таким образом, Эйнштейн пришёл к первому постулату теории относительности: скорость света в пустом пространстве является универсальной константой; и она не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости наблюдателя.

Интуитивная абсурдность этого постулата будет более очевидной, если привести аналогию с выборами в США. Представьте себе, что республиканцы набирают на выборах в конгресс более 50% голосов, и одновременно с ними демократы тоже набирают более 50% голосов. Причём общее количество набранных обеими партиями голосов составляет 100%. Постулат Эйнштейна, на первый взгляд, приводит к похожему абсурдному следствию.

Представьте себе двух наблюдателей, которые движутся навстречу друг другу, и в момент их встречи в точке, где они встречаются, загорается лампа. Сферическая оболочка света начинает распространяться из этой точки во всех направлениях, освещая мрак. Свет распространяется так быстро, что мы обычно не замечаем этой расширяющейся сферы, разделяющей свет и тьму, но предположим, что мы её видим. Наблюдатель А, покоящийся относительно лампочки, спустя несколько наносекунд увидит следующую картину:

Он обнаружит себя в центре световой сферы, а наблюдатель В, движущийся по отношению к нему вправо, сместится за эти несколько наносекунд на некоторое расстояние.

Со своей стороны наблюдатель В будет наблюдать расширяющуюся световую сферу видя, что он находится в её центре, поскольку, согласно первому постулату Эйнштейна, свет распространяется одинаково относительно любого наблюдателя, независимо от того, как движется этот наблюдатель. Таким образом, он будет видеть себя в центре сферы, а наблюдатель А относительно него и центра сферы сместится влево:

Другими словами, оба наблюдателя обнаружат себя в центре сферы. Интуиция говорит нам, что это невозможно. Но оба наблюдателя действительно находятся в центре! Это прямое следствие первого постулата.

Как такое может быть? Только если пространство и время для каждого наблюдателя выглядят по-разному. В то время как один из наблюдателей видит, что расстояние между ним и всеми точками расширяющейся световой сферы одинаковое, для другого наблюдателя (с точки зрения первого) расстояние между ним и световой сферой в одном направлении отличается от расстояния в другом направлении. Абсолютность пространства и времени была заменена Эйнштейном на абсолютность скорости света. Все парадоксы теории относительности в действительности возникают из-за того, что наши сведения об удалённых событиях могут быть только косвенными. Мы не можем находиться «здесь» и «там» в одно и то же время. Единственным способом узнать, что происходит «там», является получение «оттуда» какого-то сигнала, который не может распространяться быстрее света, поэтому мы не можем получить информацию о том, что происходит «там» «сейчас». Когда мы «сейчас» получаем сигнал «оттуда», он приносит нам информацию о том, что было «там» «тогда».

Большинство из нас не привыкли воспринимать происходящие в мире события с такой позиции, потому что скорость света очень велика, а наша проницательная интуиция шепчет, что событие, которое мы видим, происходит «сейчас». Но это просто особенность нашего восприятия. Тем не менее эта особенность настолько сильна, что, не имей Эйнштейн серьёзных оснований задуматься о странном поведении света, которое следует из электродинамики Максвелла, он вряд ли разглядел бы связь между пространством и временем в той тени на стене «пещеры», которую мы называем словом «сейчас».

Когда вы фотографируете какую-нибудь сцену из жизни, вы обычно воспринимаете полученный результат как моментальный, единовременный слепок: собака прыгнула на Лили, в то время как та танцевала. Однако это не совсем верно. Снимок представляет собой слепок, но не единовременный. Свет от разных объектов попал в камеру в разные моменты времени, поскольку эти объекты находились на разных расстояниях от камеры. По этой причине фотография представляет собой не единый временной срез, а скорее нарезку событий, происходивших в разных точках пространства в разное время.

Эта «времениподобная» природа пространства обычно оказывается за пределами нашего повседневного опыта из-за колоссального различия скоростей, с которыми мы обычно имеем дело, и скоростью света. Например, за одну сотую долю секунды — характерное время выдержки при фотографировании — свет успевает преодолеть около 3000 километров — расстояние от Москвы до Барселоны! Тем не менее, даже несмотря на то, что на большинстве обычных фотоснимков не присутствуют пейзажи с такими огромными расстояниями, «сейчас», отображённое на фотографии, не является абсолютным ни в каком смысле. Оно уникально для каждого наблюдателя. Понятия «здесь и сейчас» и «там и тогда» для каждого наблюдателя — разные. Только наблюдатели, находящиеся в одном и том же «здесь», могут утверждать, что они находятся в одном и том же «сейчас».

Теория относительности же говорит нам, что наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, не могут договориться о том, что такое «сейчас», даже если они находятся одновременно в одном «здесь». Это происходит оттого, что для них понятия «там» и «тогда» различаются. Позвольте мне привести вам один из наиболее часто используемых дидактических примеров, придуманный самим Эйнштейном и представляющийся мне наиболее удачным. Рассмотрим двух наблюдателей, едущих на двух поездах, движущихся параллельно друг другу с постоянной относительной скоростью. Неважно, какой поезд на самом деле движется, а какой стоит, потому что нет никакого способа выяснить это. Предположим, что в тот момент, когда эти наблюдатели, сидящие каждый в середине своего поезда, проезжают друг мимо друга, в головной и хвостовой вагоны поезда А одновременно ударяют две молнии. Сначала посмотрим, что видит наблюдатель А:

Он видит вспышки от молний одновременно, и поскольку он находится точно посередине поезда, то приходит к выводу, что оба удара молний также произошли одновременно. Однако наблюдатель В за то время, пока свет от молний дойдёт до него, успеет сместиться вправо, следовательно, он сначала увидит правую вспышку, а затем левую.

На первый взгляд, в этом нет ничего необычного. Наблюдатель В видит правую вспышку света раньше из-за того, что он приближается к правой вспышке и удаляется от левой. Однако первый постулат Эйнштейна говорит нам, что скорость света для В точно такая же, как и для А, и, с его точки зрения, свет от левой вспышки движется к нему с той же скоростью, что и от правой. Таким образом, В будет «наблюдать» следующее:

В результате В должен прийти к неизбежному выводу, что удар молнии справа произошёл раньше удара молнии слева. И это не кажущийся эффект, для него молния справа действительно ударяет раньше, чем молния слева! Пытаясь согласовать свои наблюдения, А и В не смогут прийти к единому мнению, поскольку в силу принципа относительности каждый из них вправе считать себя покоящимся, а движущимся другого. Из этого следует парадоксальный вывод: удалённые события, которые являются одновременными для одного наблюдателя, не обязательно будут одновременными для другого.

Подобный мысленный эксперимент привёл Эйнштейна к выводу, что два краеугольных камня нашей картины мира — абсолютное пространство и абсолютное время — должны быть изъяты из здания физики. Для движущихся относительно друг друга наблюдателей абсолютных пространства и времени не существует: А будет наблюдать, что часы В идут медленнее, чем часы А, но при этом В будет наблюдать, что часы А идут медленнее, чем часы В. Кроме того, А будет наблюдать, что поезд В короче, чем поезд А, а В будет наблюдать, что поезд А короче, чем поезд В.

Если у вас сложилось мнение, что все эти парадоксы связаны исключительно со способом наблюдения, то вы ошибаетесь. Для каждого наблюдателя течение времени и масштаб линейки у другого наблюдателя на самом деле другие. Поскольку в физике именно измерение определяет реальность, и мы не беспокоимся о реальности, которая лежит за рамками наших измерений, то всё, что мы измеряем, это и есть то, что происходит на самом деле. Вот один из примеров. Космические лучи, которые постоянно бомбардируют Землю, содержат частицы очень высоких энергий, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Когда они попадают в верхние слои атмосферы, то сталкиваются с ядрами атомов газов, из которых состоит воздух, «высекая» из них ливень других элементарных частиц.

Одна из наиболее многочисленных частиц, рождаемых таким образом, называется мюоном. Эта частица практически идентична хорошо знакомому нам электрону, за исключением того, что она тяжелее. Даже сегодня у нас нет ни малейшего представления, почему существует более тяжёлая копия электрона. Узнав об открытии мюона, известный американский физик Исидор Исаак Раби отреагировал на него саркастическим вопросом: «Ну и кто это заказывал?» Из-за того, что мюон тяжелее электрона, он нестабилен и распадается на электрон и два нейтрино.

Среднее время жизни мюона, измеренное в лаборатории, составляет около одной миллионной доли секунды. Частица, время жизни которой составляет одну миллионную секунды, двигаясь со скоростью света, способна пролететь около 300 метров, прежде чем распасться. Таким образом, мюоны, рождаемые в верхних слоях атмосферы, по идее не должны достигать поверхности Земли. Однако же мюоны доминируют в космических лучах над всеми остальными частицами, кроме фотонов и электронов!