Чердак. Только физика, только хардкор! - Дмитрий Побединский

Для сравнения представим художника, который рисует картину. Он может изобразить на полотне основные характерные особенности объекта – цвет, форму, объем, не уделяя внимания более тонким деталям типа бликов, фактуры, крапинок. Так же и научные теории: в них передается реальность, но через математические термины, причем физические объекты в ней могут быть похожи на что угодно – шарики, волны, стрелочки, палочки. Но это не так важно, если теория дает точные результаты и верные предсказания.

На данный момент есть две глобальные, очень точные теории. Первая – общая теория относительности (ОТО), которая объясняет все свойства гравитации и считает пространство гладким. Вторая – квантовая теория поля (КТП), объясняющая поведение частиц в микромире и считающая пространство заполненным непрерывными осцилляциями и флуктуациями (хаотичными колебаниями) полей. Но есть проблема. ОТО выдает очень точный результат на больших масштабах, но на микроскопическом уровне ее формулы дают нелепые значения. В свою очередь, квантовая теория поля отлично описывает микромир, однако на больших расстояниях трудно применима. Можно сказать, две эти теории, примененные на одинаковом масштабе, противоречат друг другу.

Но внутренний голос подсказывает нам, что мир не может быть устроен так, что на разных масштабах действуют разные формулы и принципы. Должна существовать теория, которая одинаково хороша на всех масштабах. Это и будет самое точное описание мира, самая детальная картина вселенной.

Одним из вариантов такой теории является теория струн.

Согласно этой теории, в пространстве на очень малых масштабах (10−35 метра, это на 20 порядков меньше протона) возникают полевые колебания, стоячие волны, которые похожи на колебания обычных струн. Эти колебания несут в себе энергию, которая соответствует определенной массе по знаменитой формуле E=mc² и, соответственно, частице с такой массой. Спектр колебаний широк, поэтому из него мы и получаем все многообразие элементарных частиц – электроны, нейтрино, кварки и т. д.

Еще раз повторим, это – математическая абстракция. Просто она очень хорошо подходит для описания взаимодействия частиц, да и сами частицы можно представить как энергию колебания струн.

Эта теория хорошо объясняет, почему у разных частиц именно такая масса, почему физические константы именно такие. Оказалось, что колебания струн могут гасить и уравновешивать микроскопические квантовые флуктуации и приводить в согласование ОТО и КТП, чего так долго добивались физики.

И на момент создания теории, в начале 70-х годов, казалось, что именно этот подход может быть универсальным для абсолютно любых масштабов и может стать основой единой теории, описывающей наш мир. Но в струнной теории оказалось много проблем. Некоторые уже решены, некоторые еще нет.

Тахион. В первой редакции теории струн присутствовала частица с мнимой массой, квадрат которой был отрицателен. Такие частицы могут двигаться быстрее скорости света, что противоречит всем опытным наблюдениям и предыдущим теориям. Решение этой проблемы – введение суперсимметрии. Дело в том, что все частицы делятся на фермионы – это частицы вещества, и бозоны – это переносчики взаимодействий. Фермионы как бы перекидываются бозонами и таким образом притягиваются, отталкиваются – в общем, взаимодействуют. И пока никаких соответствий между двумя этими классами не найдено.

Суперсимметрия провозглашает, что у каждого фермиона есть родственник из мира бозонов, очень на него похожий. Если это так, то никаких тахионов не должно существовать, и проблема исчезает.

Минимальная суперсимметричная стандартная модель

К тому же в четырехмерном мире эта теория не сходится с КТП. Адекватно теория струн выглядит только в 11 измерениях. Почему мы не видим лишние 7 пространственных измерений? Пока ответ такой: на очень малых масштабах они сворачиваются и замыкаются сами в себя, как лента Мебиуса, так что в нынешних экспериментах не наблюдаются.

В 2003 году выяснилось, что свернуть 11 измерений в 4 можно разными способами. Существует 10500 вариантов, как это сделать, и в каждом варианте получается разная вселенная, с разными фундаментальными постоянными, разными размерами бургеров, разными конституциями и разными вкусами фисташек. Есть мнение, что здесь замешан антропный принцип: человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно.

К тому же математический аппарат теории струн необычайно сложен. Частенько пользуются упрощенными вычислениями, что, конечно, точности не повышает. Для многих новых идей в этой теории еще не существует математических методов, поэтому все приходится придумывать с нуля.

И одна из самых важных проблем теории: пока нет опытных доказательств, даже косвенных. Ни суперсимметрия, ни какие-то другие следствия теории струн не подтверждены. Так что многие к ней относятся скептически, больше как к математике, нежели физике. Большие надежды возлагали на Большой адронный коллайдер, однако пока все серии опытов не привели к успеху.

Но все же ученые по всему земному шару продолжают работать в этом направлении, и каждые несколько месяцев появляются новые достижения, новые открытия. Действительно, слишком заманчивой кажется теория, которая может объяснить все. И наверняка каждый, кто работает над ней, хочет поставить в ней точку, чтобы у человечества появилась ясная и четкая картина, «как устроен мир».

6.3. Теория относительности для «чайников»

Так ли прост окружающий нас мир?

В каждой науке, пожалуй, есть самая интересная, основополагающая и фундаментальнейшая теория. Такая теория, которая в корне сменила научную парадигму и дала невероятный импульс для развития этой науки. В биологии – эволюция, в химии – периодический закон Менделеева, в физике – пожалуй, теория относительности.

Чем она такая особенная, как заслужила такую популярность? Ведь поначалу она казалась настолько необычной, новаторской, экстраординарной и мозговзрывательной, что не все видные физики хотели ее принимать. А в наши дни наверняка о ней слышали все.

Все дело в том, что она ликвидировала все несостыковки в физике того времени, заставила в корне поменять мнение о структуре пространства и времени и, прекрасно согласуясь с экспериментом, позволила предсказать много новых физических явлений, на основе которых созданы новые успешные теории и устройства, которыми мы сейчас пользуемся и даже этого не замечаем.

Для начала нужно отметить, что есть две теории относительности: специальная, которая рассматривает протекание физических процессов в равномерно движущихся объектах, и общая, которая рассматривает ускоряющиеся объекты и объясняет происхождение гравитации. Понятное дело, специальная теория относительности (СТО) появилась раньше и по сути является частью общей.

Сначала речь пойдет о частной теории относительности. В ее основе лежит принцип относительности: все законы природы одинаковы и относительно неподвижных, и относительно равномерно движущихся тел. Казалось бы, все очень просто. Но из этого следует, что и скорость света, огромная величина, относительно любых тел будет одинакова. И вот из этого следует очень много необычных выводов, которые сложно укладываются в голове.

Например, представьте себе, что вы летите на космическом корабле со скоростью 100 000 км/с. На борту установлена лазерная пушка, которая стреляет вперед фотонами. Относительно корабля они летят со скоростью 300 000 км/с. А относительно неподвижного наблюдателя? Казалось бы, скорости должны складываться, но нет! Точнейшие эксперименты показывают, что тоже со скоростью 300 000 км/с. То есть как будто скорость корабля не добавляется!

Относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, с какой бы скоростью вы ни двигались. То, что свет движется всюду одинаково, влечет за собой очень много необычных следствий.

Первое – замедление времени. Вообразите два корабля, которые летят на очень больших скоростях параллельно друг другу на расстоянии. Если один из них посылает световой импульс другому, и тогда он проходит это расстояние за время t’=L’/c, то есть расстояние между ними L’=ct’. Но со стороны мы видим, что свет шел по наклонной траектории. Согласно Эйнштейну, с той же скоростью. Но теперь он прошел другой путь! А именно L=sqrt(L’²+v²t²)=ct. И если отсюда выразить время t, то получится, что на одно и то же действие со стороны свету потребовалось больше времени, чем с точки зрения капитанов кораблей. Значит, время протекает медленнее у движущихся кораблей, нежели у неподвижного наблюдателя. Степень замедления зависит от скорости. Чем она ближе к скорости света, тем медленнее течет время. Самое необычное, что по достижении скорости света время вообще останавливается! И фотоны, движущиеся с этой скоростью, вообще не знают, что такое время. Оно для них остановлено. Их рождение, полет и смерть происходят в один миг.