Читаем Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения онлайн бесплатно

Альберт Эйнштейн умер около сорока лет назад, так и не осуществив свою мечту – построить единую теорию, описывающую Вселенную в целом. Последние десятилетия жизни он посвятил поискам такой теории, которая объясняла бы всё – от элементарных частиц и их взаимодействий до глобальной структуры Вселенной. Несмотря на огромные усилия, Эйнштейна постигла неудача, потому что для решения этой задачи ещё не пришло время. Тогда ещё практически ничего не было известно ни о чёрных и белых дырах, ни о сингулярностях, Большом взрыве и ранней Вселенной, ни о кварках, калибровочной инвариантности, слабых и сильных взаимодействиях. Теперь ясно, что все эти явления имеют отношение к единой теории, что такая теория должна объять и объяснить их. В каком-то отношении сегодня наша задача гораздо сложней, чем та, которую поставил перед собой Эйнштейн. Но учёные – упорные люди, и сейчас им удалось подойти почти вплотную к желанной и манящей цели, сделать важные открытия. В книге мы познакомимся как с этими открытиями, так и с наиболее современными теориями – супергравитации, суперструн, теориями великого объединения, твисторов и др. Однако чтобы понять задачу, придётся начать с самого начала.

В первой части книги будет рассказано об общей теории относительности Эйнштейна и о Вселенной в целом, т.е. речь пойдёт о макрокосмосе. Затем мы перейдём к микрокосмосу – миру частиц – и рассмотрим, каких успехов удалось добиться в этой области. Наконец, в последней 5 части мы обратимся к современным единым теориям поля.

Хотя математики в книге нет вовсе, обойтись без больших чисел никак нельзя. Вместо того чтобы выписывать их полностью, я использовал запись с показателем степени, которую применяют учёные. При такой записи число 10000 выглядит так: 10⁴, показатель степени указывает количество нулей после единицы. Для дробных чисел используются отрицательные степени, например, 1/1000 записывается как 10^-3.

Не помешают, видимо, несколько слов об используемой температурной шкале. Это шкала Кельвина (обозначается буквой K после числа); за нуль в ней принята самая низкая температура во Вселенной (по шкале Цельсия это -273°), а температура кипения воды равна 373 K.

Наконец, я хотел бы поблагодарить Линду Гринспэн Риган за тщательное редактирование текста и многие полезные замечания. Выражаю также признательность Сандре Карнахэн за отличные схемы и графики.

Красота и величие тёмного ночного неба всегда волнуют нас. Каждое светящееся пятнышко на нём – образ звезды, её свет, который давно, может быть задолго до нашего рождения, оторвался от светила. Человеку трудно представить себе необъятные просторы Вселенной; протекающие в ней сложные и мощные процессы приводят нас в трепет. Свет от некоторых видимых объектов шёл к Земле миллионы лет, а ведь расстояние от нас до Луны тот же луч света преодолевает меньше чем за две секунды.

Снимок Млечного Пути в направлении его центра, сделанный широкоугольным объективом

Наша Земля – всего лишь песчинка, затерявшаяся в бескрайнем пространстве, одна из девяти планет, обращающихся вокруг неприметной жёлтой звезды, называемой Солнцем. И всё же наша планета единственная в своём роде: ведь только на ней существует разумная жизнь. При виде звёзд (а каждая из них может оказаться солнцем) мы всегда задумываемся – нет ли и там жизни?

Наше Солнце – одна из примерно 200 миллиардов звёзд местного скопления – Галактики, которую мы называем Млечным Путём. На фоне тёмного неба Млечный Путь кажется едва заметной серебристой полоской, протянувшейся от края до края. Если бы можно было выбраться за пределы Галактики и взглянуть на это скопление звёзд со стороны, мы увидели бы размытый диск с утолщением в центре и спирально расходящимися рукавами. Наше Солнце расположено в одном из таких рукавов на расстоянии около 3/5 от центра.

В нашей Галактике большинство звёзд – обычные светила наподобие Солнца, но некоторые звёзды поражают воображение. Одни из них медленно пульсируют под воздействием волн, которые поднимаются из глубины и заставляют поверхность сжиматься и расширяться; другие пульсируют так быстро, что наш глаз этого не замечает. Третьи – сверхновые – взрываются с ошеломляющей силой, за считанные часы их яркость невероятно возрастает, во все стороны разлетаются гигантские газовые языки. Следы такого взрыва наблюдаются в Крабовидной туманности, где 970 лет назад (по земному времени) взорвалась сверхновая звезда, остатки которой продолжают расширяться.

Остатки старых сверхновых – облака газа, называемые туманностями, можно видеть во многих участках неба. Миллионы лет тяготение стягивает эти облака газа, обогащённые после взрыва атомами тяжёлых элементов, в новые звёзды. Через миллионы лет некоторые из этих звёзд в свою очередь взорвутся и дадут жизнь новому поколению звёзд. Таков цикл развития Вселенной – старые звёзды взрываются, и из их остатков образуются новые. Поколение от поколения отделяют миллионы лет, для нас это вечность, хотя Вселенная в своём нынешнем виде не вечна – она не будет существовать бесконечно, она когда-то появилась и когда-нибудь ей придёт конец. Из современных теорий следует, что Вселенная появилась около 20 миллиардов лет назад в результате грандиозного взрыва. Когда и как она прекратит своё существование, пока не ясно, но конец наступит.

Как уже упоминалось ранее, изображение удалённых объектов позволяет судить лишь о том, как они выглядели, когда их покинул наблюдаемый сейчас свет. Чем дальше объект, тем старше его изображение. Это значит, что, наблюдая в телескоп Вселенную, мы, по сути, вглядываемся в прошлое. Сегодня мы видим галактики такими, какими они выглядели миллионы лет назад. В начале 20-х годов сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон Эдвин Хаббл начал изучать эти галактики. Через несколько лет он сделал открытие, поразившее и озадачившее астрономов. Оказалось, что все галактики, за исключением нескольких, расположенных в нашей местной группе, удаляются от нас; причём чем больше расстояние, тем выше скорость разлёта. Значит, Вселенная расширяется!

Туманность Андромеды, спиральная галактика, подобная нашему Млечному Пути

Заглядывая всё дальше в глубь Вселенной, мы видим, что многие галактики не похожи на нашу – они находятся в состоянии хаоса. В них бушуют невероятные силы, отдирающие звёзды одну от другой и выбрасывающие их на периферию; при этом генерируются радиоволны, которые мы регистрируем на Земле. По сути, это взрывающиеся галактики, которые носят название радиогалактик. Ещё дальше находятся квазары – объекты, которые остаются загадкой, хотя их активно исследуют уже 20 лет. Они излучают такое количество энергии, что по мощности их можно сравнить с крупными радиогалактиками, однако по остальным признакам они невелики – не больше звёзд-супергигантов. Они так малы и далеки от нас, что непонятно, как их вообще можно увидеть.

Сразу же за квазарами проходит граница наблюдаемой Вселенной. Может показаться странным, что у нашей Вселенной есть граница, ведь тут же возникает вопрос, а что за этой границей? Чтобы понять, откуда берётся граница, нужно рассмотреть скорость разбегания сильно удалённых объектов – она близка к скорости света, а согласно теории относительности (с которой мы познакомимся позже) ни одно тело не может двигаться относительно нас со скоростью света или большей (её обычно обозначают латинской буквой c). Итак, сразу же за квазарами находится область, где объекты – если бы они там были – должны были бы двигаться со скоростью c, а это невозможно. Это и есть граница наблюдаемой Вселенной. За последние десять лет астрономы многое узнали о Вселенной: были открыты новые типы объектов – пульсары, квазары, предсказано существование сверхэкзотических объектов, таких как чёрные дыры, и астрономы считают, что они действительно есть, хотя неопровержимо доказать это пока не удалось. Каждое новое достижение, каждое новое открытие расширяют наши знания о Вселенной, но в то же время приносят новые тайны, новые загадки, требующие решения. Невольно возникает вопрос – а истощится ли когда-нибудь поток этих загадок?

До сих пор речь шла о тайнах вселенского масштаба, связанных с макрокосмосом. Но в ином пространственном масштабе проходит ещё одна граница, граница микрокосмоса – мира атомов и элементарных частиц. И в этом мире тайн ничуть не меньше.

Во Вселенной встречается много различных частиц, но преобладают среди них три – электроны, протоны и нейтроны. Электрон имеет отрицательный заряд, протон гораздо массивнее его, имеет заряд той же величины, но положительный, а у нейтрона заряда вообще нет.

Первая частица другого вида была предсказана в 1932 году английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Работая над теорией электрона, он обнаружил, что должна существовать частица, во всём подобная электрону, но имеющая положительный заряд. Несколько лет спустя был обнаружен положительно заряженный электрон, названный позитроном. Позже установили, что каждой частице соответствует античастица, а при их встрече происходит удивительная вещь – они уничтожают друг друга, аннигилируют, и при этом выделяется значительная энергия.

В 1935 году было сделано ещё одно важное предсказание. Японский физик Хидэки Юкава постулировал существование частицы с массой, большей чем у электрона, но меньшей чем у протона – так называемого мезона. В течение следующих трёх лет действительно удалось обнаружить частицу с промежуточной массой (мюон), но оказалось, что у неё совсем не те свойства, которые предсказывал Юкава. В конце концов нашли и частицу Юкавы, которая носит название «пион».

Шли годы, и учёные обнаруживали всё новые и новые частицы. По мере увеличения размеров ускорителей тоненький ручеёк открытий превратился в мощный поток, и в конце концов физиков захлестнуло «море» элементарных частиц. Они даже начали задумываться, иссякнет ли когда-нибудь этот поток. Для удобства было решено разделить все частицы на два типа – лептоны и адроны. К лептонам отнесли лёгкие частицы (наиболее известная из них – электрон), а к адронам – тяжёлые. Адроны подразделены ещё на две группы – барионы и мезоны. Самый известный из барионов – протон; к ним принадлежит также и нейтрон. Как уже упоминалось раньше, мезоны имеют промежуточную массу.

И всё же простая классификация частиц по типам отнюдь не помогла решить проблему. С ростом числа частиц в семействах пришло понимание того, что в основе классификации должна быть некая система; все эти частицы, в особенности огромное семейство барионов, никак не могли быть «по-настоящему элементарными». Они явно состоят из каких-то более фундаментальных частиц.

В 1964 году Мюррей Гелл-Манн из Калифорнийского технологического института и независимо от него Георг Цвейг из Женевы предложили решение проблемы. Они предположили, что адроны состоят из трёх фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками (в предложенной схеме есть и антикварки). С физической точки зрения теория была замечательной – она предсказывала все наблюдаемые частицы и позволяла свести число действительно элементарных типов адронов во Вселенной всего к трём; с таким числом справиться значительно легче. Существовала, впрочем, одна трудность – кварков никто никогда не видел. След одиночного кварка ни разу не наблюдался в пузырьковой камере, более того, ниоткуда, кроме этой теории, их существование не следовало! И всё же, несмотря на то что кварки до сих пор не обнаружены, теория осталась. В неё внесли некоторые изменения, но по сей день она лучшая из всех теорий элементарных частиц.

Итак, все элементарные частицы, из которых построена Вселенная, самые фундаментальные (насколько можно судить) составляющие материи можно разделить на два класса: лептоны и кварки. Лептон нельзя расщепить на что-то более элементарное, и уж, конечно, нельзя расщепить кварк, который к тому же до сих пор не удалось изолировать. Сейчас принято считать, что кварк в принципе изолировать нельзя.

Весь мир построен из этих различным образом сгруппированных частиц. Но если бы существовали только они, наш мир выглядел бы весьма странно: в пространстве беспорядочно носились бы бесчисленные миллиарды частиц. Нам известно, что на самом деле частицы движутся не беспорядочно, на них действуют силы, удерживающие их вместе. В природе известны четыре типа сил, два из которых проявляются внутри атомов. Атом состоит из ядра, в котором плотно упакованы протоны и нейтроны (в ядре сосредоточена почти вся масса атома), и вращающихся вокруг него электронов. В электрически нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Так как протоны имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный, они удерживаются на орбите в результате электрического притяжения противоположных по знаку зарядов.

Приглядевшись к ядру попристальнее, можно заметить, что протоны располагаются очень близко друг к другу, хотя, будучи одноименно заряженными частицами, они должны были бы отталкиваться, что, кстати, на определённом расстоянии и происходит. Но есть другая сила – сильное взаимодействие, примерно в 1000 раз более мощное, чем электромагнитное. Сильное взаимодействие отличается от электромагнитного тем, что оно близкодействующее, т.е. действует только на расстоянии порядка диаметра ядра. Это означает, что при сближении два протона сначала отталкивают друг друга, а потом вдруг, на очень малом расстоянии, между ними возникает сильнейшее притяжение, удерживающее их вместе. Сильное взаимодействие проявляется не между всеми частицами, а только между парами адронов.