Теорию струн часто называют «теорией всего», потому что ее цель - описать все фундаментальные силы взаимодействия во Вселенной, включив в себя гравитацию, квантовую механику и теорию относительности. Эта революционная концепция представляет новое понимание пространства и времени, она стремится объяснить связь таких феноменов, как черные дыры и кварк-глюонная плазма, дополнительные измерения и квантовые флуктуации. Несмотря на сложность рассматриваемой темы, профессор Принстонского университета Стивен Губсер предлагает емкое, доступное и занимательное введение в эту одну из наиболее обсуждаемых сегодня областей физики. С минимумом математики, используя интересные аналогии, автор объясняет суть суперсимметрии, дуальности, искривления пространства-времени так, что это будет понятно любому читателю с багажом знаний средней школы. Пока положения теории струн окончательно не доказаны, однако и те тайны, которые нам уже приоткрылись, позволяют восхититься стройной гармонией мироздания и обсуждать практическое применение будущих открытий в физике высоких энергий.
Введение
Теория струн — это магия. Она претендует на статус Теории Всего, но при этом не может быть проверена экспериментально. И в этом её изотеричность. Она оперирует дополнительными измерениями, квантовыми флуктуациями и чёрными дырами, но неужели именно таков наш мир? Почему он не может быть устроен проще?
Теория струн — это магия. Практикующие её чародеи (и я — один из них) признают, что и сами не понимают эту теорию. Но выполненные с её помощью расчёты дают неожиданно красивые и согласованные результаты. А это означает, что нам придётся продолжить её изучение. Неужели реальный мир не может быть настолько красивым и упорядоченным? Неужели открывшаяся нам истина не соответствует реальности?
Теория струн — это магия. Она поглотила многих талантливых аспирантов, оторвав их от других увлекательных и, несомненно, более полезных тем, имеющих реальное практическое применение, например от сверхпроводимости. Как любая мистика, она притягивает внимание СМИ. Теория струн стала объектом проклятий и анафем приверженцев классической парадигмы из-за невозможности экспериментальной проверки её предсказаний.
И в чём же, собственно, заключается магия? Если говорить коротко, то идея теории струн в том, что фундаментальными кирпичиками материи являются не элементарные частицы, а струны.
Струны похожи на маленькие резиновые ниточки, очень тонкие и невероятно упругие. Электрон, например, представляет собой струну, вращающуюся и вибрирующую в столь малом масштабе, что обнаружить эту вибрацию сложно даже при помощи самых современных ускорителей элементарных частиц. В одних вариантах теории струн электрон описывается как крошечное замкнутое колечко, в других — как отрезок струны, имеющей два свободных конца.
Глава 1
Энергия
Цель этой главы — познакомить вас с самым знаменитым уравнением в физике:
E
=
mc
2
. Это уравнение лежит в основе атомной энергии и атомной бомбы. Оно утверждает, что если вы превратите полкило вещества в энергию, её хватит на освещение миллиона домов в течение года. Уравнение
E
=
mc
2
лежит и в основании теории струн. Как мы узнаем из главы 4, энергия колебаний струны вносит вклад в её массу.
Странность уравнения
E
=
mc
2
в том, что оно устанавливает связь между вещами, которые кажутся нам очень далёкими друг от друга.
E
— это энергия, например киловатт-часы, за которые вы ежемесячно перечисляете коммунальные платежи,
m
— это масса, например полкило ветчины, а
c
— скорость света, составляющая 299 792 458 метров в секунду или приблизительно триста тысяч километров в секунду. Итак, первая наша задача — разобраться с тем, что физики называют
размерными величинами
, такими как длина, масса, время и скорость. Вернёмся к уравнению
E
=
mc
2
и поговорим о метрических единицах, о способах записи больших чисел и немного о ядерной физике. Хотя изучение ядерной физики не является обязательным для понимания теории струн, ядерная физика служит хорошей иллюстрацией универсальности уравнения
E
=
mc
2
. В восьмой главе я вернусь к этой теме и расскажу о попытках использования теории струн для лучшего понимания некоторых аспектов современной ядерной физики.
Длина, масса, время и скорость
Простейшей из всех размерных величин является
длина
. Это то, что вы измеряете линейкой. Единицей измерения длины в международной системе СИ является метр.
Время
представляется физиками как дополнительное измерение. Мы воспринимаем реальный мир четырёхмерным: три измерения пространственные и одно — временно́е. Временно́е измерение принципиально отличается от пространственных. Вы можете перемещаться в любом направлении в пространстве, но вы не можете двигаться назад во времени. Строго говоря, вы вообще не можете перемещаться во времени. Секунды тикают независимо от того, чем вы занимаетесь. По крайней мере, так следует из нашего повседневного опыта. Но на самом деле не всё так просто. Если вы будете очень быстро бегать по кругу, в то время как ваш коллега неподвижно стоит в его центре, ваше время будет течь немного медленнее, чем время товарища. Если вы возьмёте одинаковые секундомеры и запустите их одновременно, то после пробежки ваш секундомер немного отстанет от секундомера неподвижно стоявшего коллеги. Этот эффект называется
замедлением времени
, однако он неизмеримо мал, если только ваша скорость не сравнима со скоростью света.
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
Теперь вернёмся к размерностям физических величин.
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 1/10
E
=
mc
2
Уравнение
E
=
mc
2
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
= ½
mv
2
, 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
=
mc
2
. Что это означает?
Понять это вам поможет знание, что формула
E
=
mc
2
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 10
15
-ю энергии покоя. То, что на такую же величину — на одну 10
15
-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 1/10
Наше понимание ядерной энергии основывается непосредственно на уравнении
