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

В итоге симметрия, проявляющаяся на малых масштабах, на которых флуктуации фоновых полей слишком сильны, чтобы согласованно влиять на поведение частиц, нарушается на больших масштабах, где локальные флуктуации усредняются. Кроме того, считается, что нарушенные ныне симметрии были ненарушенными на очень ранней стадии Большого взрыва, когда Вселенная была очень мала и крайне горяча. При расширении Вселенной в ней произошёл фазовый переход, аналогичный переходу воды в жидкое состояние, когда температура опускается ниже критической точки. При достаточно высокой температуре могут проявляться нарушенные в обычном состоянии симметрии, потому что параметр порядка, характеризующий состояния элементарных полей, при высокой температуре обладает бо́льшим числом степеней свободы.

Сегодня принято считать, что для каждой известной нам симметрии существуют такие условия, в которых она нарушается, приводя к «фазовому переходу» в состоянии Вселенной. Большая часть сегодняшних исследований в области космологии посвящена изучению последствий таких фазовых переходов. И мы опять приходим к тому, что всё в этом мире управляется симметрией.

Возвращаясь на Землю, мы обнаруживаем, что симметрия играет решающую роль в фазовых переходах, которые управляют поведением обычных веществ. Мы уже убедились, что симметрия параметра порядка воды, магнита или овсяной каши способна полностью определить поведение этих веществ в критических точках. Но, возможно, наиболее сильной из известных симметрии, определяющей саму нашу возможность описать эти переходы, является симметрия, с описания которой я начал эту книгу. Эта симметрия называется масштабной инвариантностью.

Главной особенностью любого вещества в критической точке является одинаковость его свойств на всех масштабах. Вещество становится масштабно-инвариантным: оно выглядит одинаково, независимо от того, под каким увеличением мы его рассматриваем. Это очень специфическое свойство, настолько специфическое, что им не обладают даже сферические кони!

Напомню, что я сумел сделать важные выводы биологического характера, рассматривая, как меняются свойства сферических коней при изменении их размера. Если бы соответствующая им физика оставалась масштабно-инвариантной, она разрешала бы существование сферических коней любой величины. Но это не так, потому что материал, из которого изготовлены кони, не изменяет свою плотность при увеличении размера коня. Из-за этого вес коня увеличивается пропорционально кубу его размера, в то время как сила его мышц растёт пропорционально лишь квадрату размера.

Но вещества в критической точке фазового перехода масштабно-инвариантны. Схематические изображения структуры воды и магнита остаются одинаковыми, независимо от того, какой объём вещества мы рассматриваем. Взяв микроскоп с большим увеличением, мы увидим точно такую же картину, как и невооружённым глазом. Из-за этого только модель очень и очень специфического вида будет должным образом описывать такую систему вблизи критической точки. Интересная математика таких моделей привлекла в последние годы большое число теоретиков. Если, например, классифицировать все возможные модели, обладающие масштабной инвариантностью, то на основе этого можно затем классифицировать все возможные критические явления в природе. Таким образом, одно из самых сложных в микроскопическом масштабе явлений, оказывается, может быть полностью описано масштабно-инвариантной моделью — ну, если и не описано, то, по крайней мере, понято. Многие из тех, кто заинтересовался масштабной инвариантностью, ранее занимались физикой элементарных частиц. Это вселяет надежду, что окончательная теория всего, если только её когда-нибудь создадут, возможно, будет основана на масштабной инвариантности.

В конце главы я хочу рассказать, где ещё нас подстерегает симметрия. Как я говорил, теория струн — это одна из немногих областей, в которой можно вживую наблюдать научный прогресс на границе наших знаний о мире, когда сдвиг парадигмы рождает новые реалии. Это та область физики, где я могу говорить не только о давно известных вещах, но и о совершенно не исследованных. Как я уже сказал, вопросы, которыми задаются физики, часто связаны с симметриями, которые мы пока полностью не понимаем. Итак, вот несколько конкретных примеров.

В этой главе я сделал несколько неявных предположений об устройстве природы, которые кажутся сами собой разумеющимися. Например, я предположил, что природе не важно, где и когда мы решили её изучать, а из этого предположения следуют два наиболее важных ограничения, накладываемых на физический мир: законы сохранения энергии и импульса. Кроме того, несмотря на то что любой из вас безошибочно ответит, какая из его рук является правой, а какая левой, природе это вроде безразлично. Будет ли физика отражённого в зеркале мира такой же, как и наша? На первый взгляд напрашивается ответ, что да. Однако представление физиков о том, что можно считать «первым взглядом», резко изменилось в 1956 году. Для того чтобы объяснить загадочное явление, имеющее отношение к ядерному распаду, два молодых американских теоретика китайского происхождения предположили невозможное: не исключено, что природа способна отличать правое от левого! Это предложение было тут же проверено. Для этого экспериментаторы взяли ядро атома кобальта, испытывающее бета-распад (когда один из нейтронов ядра превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино), и поместили его в магнитное поле. Если бы зеркальная инвариантность выполнялась строго, то количество электронов, вылетающих в одном направлении, было бы равно количеству электронов, вылетающих в другом. Вместо этого оказалась, что число электронов, вылетающих направо, отличается от числа электронов, вылетающих налево. Чётность, или равноправие правого и левого, оказалась нарушенной для слабого взаимодействия, ответственного за бета-распад!

Это стало полным шоком для физического сообщества. Два физика, Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, были удостоены Нобелевской премии в течение года после их предсказания. Нарушение чётности, как теперь известно, является неотъемлемой особенностью теории слабого взаимодействия, и причина этого состоит в том, что нейтрино — единственная среди всех элементарных частиц, участвующая только в слабом взаимодействии (насколько мы знаем), — обладает очень специфическим свойством. Частицы, подобные нейтрино, электронам, протонам и нейтронам, обладают собственным моментом импульса, называемым спином, то есть ведут себя так, будто они вращаются вокруг своей оси, в том смысле, что во взаимодействиях с другими частицами они действуют как маленькие волчки или гироскопы. Если частица заряжена, то её вращение приводит к тому, что она становится маленьким магнитиком, имеющим северный и южный полюс. Для движущегося электрона направление его внутреннего магнитного поля может быть произвольным по отношению к направлению движения. Нейтрино же, являясь нейтральной частицей, лишённой внутренней структуры, не может иметь внутреннего магнитного поля, но обладает спином, имеющим направление. Нарушение чётности слабого взаимодействия происходит из-за того, что в бета-распаде рождаются только такие нейтрино, направление спина которых совпадает с направлением их движения. Мы называем такие нейтрино «левыми». Никакого глубокого физического смысла в этом нет. Это просто произвольное соглашение.

Мы понятия не имеем, существуют ли в природе «правые» нейтрино. Если да, то они по каким-то причинам не должны участвовать в слабом взаимодействии, иначе мы бы их давно обнаружили. Но это не означает, что они не могут существовать. Теоретики показали, если бы нейтрино обладали массой, то весьма вероятно, что «правые» нейтрино могли бы существовать. Если бы вдруг обнаружилось, что любые нейтрино имеют ненулевую массу, то это было бы прямым указанием на то, что нам нужна какая-то новая физика, выходящая за рамки Стандартной модели. Именно по этой причине возник огромный интерес к экспериментам по регистрации нейтрино, образующихся в ходе ядерных реакций в недрах Солнца. Было показано, что если наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино не является ошибкой эксперимента, то одним из наиболее вероятных объяснений является наличие у нейтрино ненулевой массы. Последние эксперименты свидетельствуют в пользу того, что так оно и есть, а это значит, что мы открываем перед собой совершенно новое поле исследований. Нарушение чётности, которое потрясло мир, но теперь стало центральной частью нашей модели, теперь указывает нам направление, в котором следует искать ещё более фундаментальные законы природы.

Вскоре после обнаружения нарушения чётности было обнаружено нарушение ещё одной очевидной симметрии природы. Это симметрия между частицами и античастицами. Ранее считалось, что античастицы во всех отношениях идентичны соответствующим частицам, за исключением, скажем, электрического заряда, так что, если мы заменим все частицы в мире их античастицами, такой мир ничем не будет отличаться от нашего. Хотя отличить частицу от античастицы не всегда просто, потому что некоторые нейтральные частицы тождественны своим античастицам, и мы можем отличить одни от других только по их участию в ядерных реакциях. В 1964 году было обнаружено, что одна из таких частиц, называемая нейтральным каоном, распадается с нарушением симметрии между частицами и античастицами. Опять же виновником оказалось слабое взаимодействие. Сильное же взаимодействие между кварками, из которых состоят каоны, как показали независимые эксперименты, сохраняет чётность и симметрию между частицами и античастицами с высокой точностью.

Однако в 1976 году Герард 'т Хоофт в одной из своих многочисленных новаторских теоретических работ продемонстрировал, что общепринятая теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика — всё-таки приводит к нарушению как чётности, так и симметрии между частицами и античастицами. Чтобы примирить результат 'т Хоофта с экспериментом, который убедительно демонстрировал сохранение симметрии между частицами и античастицами в сильном взаимодействии, были предложены несколько теоретических решений, но на сегодняшний день мы понятия не имеем, являются ли какие-либо из них правильными. Наиболее интересный вариант предполагает возможность существования новых элементарных частиц, называемых аксионами. Если они существуют, то вполне могут оказаться основными компонентами тёмной материи, на которую приходится большая часть массы Вселенной. Если аксионы будут обнаружены, мы одним выстрелом убьём двух зайцев: решим проблему сохранения симметрии между частицами и античастицами в сильных взаимодействиях и заткнём дыру в нашем представлении об устройстве Вселенной. Если мы сделаем подобное открытие, соображения симметрии окажутся нашей путеводной звездой.

Имеется огромное множество различных симметрии, которые существуют или не существуют в природе по причинам, которых мы пока не понимаем. Они служат питательной средой, на которой растут современные теоретические исследования. В физике элементарных частиц остаётся ещё много нерешённых проблем: почему существуют три поколения элементарных частиц, два из которых ничем не отличаются от первого поколения, за исключением того, что входящие в них частицы тяжелее? Почему массы частиц в каждом поколении различаются? Почему так отличаются силы слабого и гравитационного взаимодействий? Сегодня стало традиционным для физиков рассматривать эти вопросы в рамках симметрии, но с высоты нашего опыта всё-таки неразумно ожидать, что ответы на них будут похожими на те, которые мы уже получили.

Глава 6.

ЭТО НЕ ЗАКОНЧИТСЯ, ПОКА НЕ ЗАВЕРШИТСЯ

Мне особенно нравится одна сцена из фильма Вуди Аллена, в которой персонаж, одержимый вопросом о смысле жизни и смерти, навещает своих родителей и, рыдая, молит их наставить его на путь истинный. На что его отец поднимает глаза и отвечает: «Не спрашивай меня о смысле жизни. Я не знаю даже, как работает тостер!»

В этой книге я тоже постарался подчеркнуть, возможно, не так убедительно, как Вуди Аллен, тесную связь между почти что эзотерическими вопросами, возникающими перед учёными на переднем крае исследований, и физикой повседневных явлений. Поэтому мне представляется уместным в этой последней главе порассуждать, к каким новым открытиям может привести эта связь в XXI веке. Историческая встреча на Шелтер-Айленде, состоявшаяся более полувека назад, изменила отношения между любыми возможными будущими открытиями и нашими существующими теориями. Её результатом стала глубокая, но незаметная перестройка нашего мировоззрения. Никто не способен объективно сказать, существует ли окончательный ответ на основной вопрос жизни, Вселенной и всего остального. Однако современная физика подвела нас к пониманию, почему, по крайней мере в буквальном смысле, это не имеет значения.

Я собираюсь рассмотреть здесь вопрос о том, что же направляет наши мысли о будущем физики по тому или иному пути, и почему. Большую часть этой книги я посвятил рассказам про то, как физики оттачивали свои инструменты для построения нашей сегодняшней картины мира. Я сделал это не в последнюю очередь потому, что именно эти инструменты будут определять подход к тем вещам, которые нам ещё предстоит понять. По этой причине, совершив полный круг, я собираюсь вернуться туда, откуда мы начали: к аппроксимации и масштабированию.

Физика имеет будущее только в той мере, в которой существующие теории являются неполными. Давайте зададимся вопросом: какими свойствами обладала бы полная физическая теория, если бы у нас такая была? Простейший ответ будет почти тавтологией: теория является полной, если она предсказывает все явления, для предсказания которых она была создана. Но обязательно ли такая теория является истинной и, что ещё более важно, обязательно ли истинная теория является полной? К примеру, истинна ли ньютоновская теория гравитации? Она предсказывает движение планет вокруг Солнца и движение Луны вокруг Земли с огромной точностью. Её можно использовать для взвешивания Солнца с погрешностью меньше чем одна миллионная. Кроме того, законы Ньютона позволяют рассчитывать движение тел вблизи поверхности Земли с точностью до одной стомиллионной. Но при предсказании угла, на который отклоняется луч света, проходящий вблизи Солнца, она даёт ошибку в два раза!

Правильный результат получается, если вместо ньютоновской механики воспользоваться общей теорией относительности, обобщающей её на случай больших скоростей и сильных гравитационных полей. Таким образом, теория, основанная на законе всемирного тяготения Ньютона, является неполной. Но является ли она неистинной?

Ответ кажется очевидным. В конце концов, мы можем экспериментально измерить отклонения от предсказаний закона Ньютона. С другой стороны, в нашей повседневной жизни все предсказанные законом Ньютона явления выполняются с величайшей точностью, и мы можем сказать, что в том мире, в котором мы непосредственно обитаем, закон Ньютона является истинным. Давайте тогда предположим, что истинная и полная теория должна находиться в полном согласии со всем, что мы знаем о мире. Сегодня закон Ньютона, конечно, не соответствует этому критерию. Однако по крайней мере до конца XIX века он ему соответствовал. Был ли он тогда истинным? Зависит ли научная истина от времени?

Юристы могут упрекнуть меня в том, что моему второму определению недостаёт формальной строгости. Мне следовало бы заменить слова «всё, что мы знаем» на слова «всё, что существует». Но это также бесполезно! Подобное определение уплывает из области науки в область философии — мы никогда не сможем его применить, ведь мы никогда не знаем, знаем ли мы обо всём, что существует. Всё, что мы можем знать, — это только то, что мы знаем! Проблема кажется неразрешимой, но она имеет одно важное, часто недооцениваемое следствие, заключающееся в том, что мы никогда не можем доказать истинность чего-либо; мы можем доказать только ложность. Это очень важная идея, которая лежит в основе всего научного прогресса. Как только мы сталкиваемся с тем, что теория, которая давала правильные предсказания на протяжении тысячелетий, расходится с опытом, это оказывается сигналом, что нам нужно либо расширять, либо заменять теорию.

Здесь имеется гораздо более глубокая и, надеюсь, менее семантическая проблема, входящая в число тех вопросов, на которых я хотел бы сосредоточиться в этой главе. Что в принципе означает, что некая теория является истинной. Рассмотрим квантовую электродинамику (КЭД), теорию, завершённую после встречи на Шелтер-Айленде. Примерно за двадцать лет до этого молодой Дирак вывел своё релятивистское уравнение. Это уравнение правильно описывало всё, что на тот момент было известно об электронах, но при его решении возникала неприятная математическая расходимость, и эта проблема была внесена в повестку дня совещания на Шелтер-Айленде. В конечном итоге Фейнман, Швингер и Томонага представили математически согласованный метод решения уравнения Дирака, который позволял получать предсказания, полностью согласующиеся со всеми экспериментами. В течение десятилетий после эпохального совещания все эксперименты демонстрировали блестящее согласие с предсказаниями теории. На сегодняшний день КЭД — это наиболее хорошо подтверждённая из всех физических теорий. Сделанные на её основе расчёты согласуются с экспериментальными данными до девятого знака после запятой! Мы никогда не имели более точной теории, чем КЭД.

Но можно ли сказать, что КЭД является полной теорией взаимодействия электронов и фотонов? Разумеется, нет. Например, мы знаем, что если рассматривать достаточно высокоэнергетические процессы с участием массивных W- и Z-бозонов, то КЭД становится частью более общей теории — теории электрослабого взаимодействия. То есть на данном этапе КЭД сама по себе неполна.

Это не досадная случайность. Даже если бы W- и Z-бозонов не существовало, а электромагнетизм и гравитация были единственными известными нам силами в природе, мы всё равно не могли бы назвать КЭД полной теорией электронов и фотонов. Потому что, как стало понятно спустя несколько лет после совещания в Шелтер-Айленде, это утверждение без последующего уточнения не имеет физического смысла.

Соединение теории относительности и квантовой механики, первым успешным примером которого является КЭД, демонстрирует, что любая теория, и КЭД в том числе, имеет смысл только в той мере, в какой мы привязываем её к определённому масштабу. Например, имеет смысл говорить, что КЭД является полной теорией взаимодействия электронов и фотонов на расстояниях, не меньших 10^-10 см. На таких расстояниях влияние W- и Z-бозонов ещё не проявляется. Это может показаться мелкой придиркой, но поверьте мне, это не так.

В главе 1 я писал про необходимость согласования размерностей и масштабов с физическими измерениями. Осознание необходимости согласовывать физическую теорию с масштабом явления — пространственным, временным или энергетическим — появилось, когда Ханс Бете сделал аппроксимацию, позволившую ему вычислить лэмбовский сдвиг спустя пять дней после совещания на Шелтер-Айленде. Бете сумел избавиться от расходимости путём пренебрежения, по физическим соображениям, некоторыми эффектами.

Напомню ещё раз, что сделал Бете. Теория относительности и квантовая механика подразумевают, что частицы могут спонтанно «выскакивать» из пустого пространства только затем, чтобы тут же исчезнуть, если они это делают в течение очень короткого промежутка времени, который не может быть измерен в силу принципа неопределённости. Тем не менее расчёт лэмбовского сдвига продемонстрировал, что эти частицы могут влиять на реально измеряемые свойства обычных частиц, например на свойства атома водорода. Проблема, однако, состояла в том, что учёт влияния всех возможных виртуальных частиц с произвольно высокими энергиями делал расчёт атома водорода математически невыполнимым. Бете утверждал, что следует исключить из расчёта те виртуальные частицы, энергия которых превышает некую величину. В то время он понятия не имел, что это должна быть за величина и из каких соображений её следует выбирать, поэтому он выбрал в качестве предельного значения энергии энергию покоя электрона.

Разработав окончательный вариант теории, Фейнман, Швингер и Томонага показали, что вклад виртуальных частиц высоких энергий действительно можно последовательным образом исключить. И их теория начала давать разумные результаты — как и должна поступать любая разумная теория. В конце концов, если бы вклад всех процессов, происходящих на расстояниях и временах, много меньших масштаба атомных явлений, в окончательный результат был существенным, у нас не осталось бы ни малейшей надежды построить применимую на практике физическую теорию. Это всё равно как если бы для описания движения мяча нам понадобилось учесть все силы, действующие на каждую молекулу мяча в течение каждой наносекунды его полёта.

Со времён Галилея отбрасывание несущественного было неявным принципом построения любой физической теории. Этот принцип остаётся справедливым даже при выполнении очень точных расчётов. Вернёмся к мячу. Даже вычисляя его положение с точностью до долей миллиметра, мы по-прежнему предполагаем, что его можно рассматривать как мяч, хотя на самом деле он представляет собой набор из примерно 10²⁴ атомов, каждый из которых сложным образом колеблется и вращается относительно других атомов во время полёта мяча. Однако фундаментальное свойство законов Ньютона позволяет нам разделить движение составного тела на две части: на движение центра масс, положение которого определяется как усреднённое положение всех составляющих его частей, и на движение всех отдельных частей тела относительно центра масс. Обратите внимание, что центр масс не обязательно находится там, где имеется какая-нибудь масса. Например, центр масс бублика находится в середине его дырки! Если мы подбросим бублик, он может кувыркаться довольно сложным образом, но его центр масс будет двигаться по параболе, впервые рассчитанной ещё Галилеем.

Таким образом, когда мы исследуем движение мяча или бублика, основываясь на законах Ньютона, мы пользуемся тем, что сегодня принято называть эффективной теорией. Более полная теория должна была бы включать в описание взаимодействие кварков и электронов или, по крайней мере, атомов. Но мы можем объединять всё, не вносящее вклада в окончательный результат степени свободы, во что-то, что называем мячом, под которым мы, разумеется, подразумеваем центр масс этого мяча. Описание движения всех макроскопических объектов сводится к эффективной теории движения центра масс. Эффективная теория движения мяча — это всё, что нам нужно, и эта теория позволяет сделать так много, что заслуживает права считаться фундаментальной. Итак, я утверждаю, что все физические теории, по крайней мере те, которыми сегодня пользуются физики, являются эффективными теориями. Всякий раз, когда вы что-то включаете в теорию, вы чем-то пренебрегаете.