Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| планковская длина,
а именно 10 –33 см. Чтобы получить некоторое представление о том, насколько реально мала эта ве- личина, представьте, что она настолько же меньше протона, на- сколько сам протон меньше… ну, к примеру, Род-Айленда. В этом масштабе даже самые фундаментальные наши представления о пространстве и времени, вероятно, окажутся неверными. Мы не представляем даже, как мог бы выглядеть гипотетический экс- перимент по исследованию расстояний, меньших, чем планков- ская длина. Это самый маленький размер, какой мы в принципе можем вообразить. Тот факт, что мы не можем даже представить эксперимент, при помощи которого можно было бы исследовать планковские расстояния, вполне может оказаться не просто симптомом огра- ниченности человеческого воображения, техники или даже фи- нансирования. Недоступность расстояний, меньших, чем план- ковская длина, может оказаться подлинным ограничением, об- условленным законами природы. Как мы убедимся в следующей главе, из законов квантовой механики следует, что для зондиро- вания малых расстояний необходимы высокие энергии. Но стоит энергии, заключенной в небольшом объеме, оказаться слишком большой, как вещество коллапсирует и образуется черная дыра. В этот момент на передний план выходит гравитация. Дополни- тельная энергия лишь сделает черную дыру еще больше, в чем мы успели уже убедиться на примере ситуаций, в которых влияние законов квантовой механики невелико. Мы не знаем, как вообще можно исследовать расстояние, уступающее планковской длине. Дополнительная энергия здесь не поможет. Вероятно, что на этих ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 127 невообразимо крошечных расстояниях традиционные представ- ления о пространстве уже неприменимы. Мне недавно довелось читать лекцию. После того как я рас- сказала о нынешнем состоянии физики элементарных частиц и наших предположениях о природе дополнительных измерений, кто-то из слушателей процитировал мне мое собственное забы- тое заявление о возможных ограничениях наших представлений о пространстве-времени. Меня спросили, как можно совместить рассуждения о дополнительных измерениях с мыслью о том, что на каких-то расстояниях пространство-время просто не суще- ствует. Вообще, рассуждения о том, что категории пространства и вре- мени теряют свою актуальность в определенных условиях, отно- сятся лишь к невообразимо малой планковской длине. Поскольку никто до сих пор не видел объектов размером меньше 10 –17 см, можно сказать, что классическая геометрия на измеримых рас- стояниях не нарушается. Даже если понятие пространства на рас- стояниях, сравнимых с планковской длиной, теряет актуальность, не стоит забывать, что речь здесь идет о расстояниях много мень- ших, чем все, что мы до сих пор исследовали. Здесь нет никакого противоречия, если предположить, что при усреднении на много бо льших наблюдаемых расстояниях возникает узнаваемая струк- тура. В конце концов, на разных масштабах вещество нередко ве- дет себя очень по-разному. Эйнштейн говорил о непрерывной гео- метрии пространства на больших расстояниях. Однако его мысли могут оказаться неверными на малых расстояниях, если, конечно, они пренебрежимо слабо влияют на явления, наблюдаемые на из- меримых расстояниях, так что добавление еще нескольких фунда- ментальных ингредиентов не даст различимого эффекта, который мы могли бы зарегистрировать. Независимо от того, существуют ли на самых малых расстоя- ниях пространство и время, принципиальное свойство планков- ской длины, о котором сообщают нам уравнения, состоит в том, что гравитация, действие которой на фундаментальные части- цы на измеримых расстояниях пренебрежимо мало, становится серьезной силой, сравнимой по интенсивности с остальными 128 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА известными нам силами. На планковской длине стандартная фор- мула тяготения, согласно теории относительности Эйнштейна, уже неприменима. В отличие от более крупных расстояний, где мы можем предсказать поведение системы таким образом, чтобы оно хорошо согласовывалось с экспериментальными данными, на этих крохотных расстояниях квантовая механика и теория от- носительности несостоятельны и применять теории, которым мы обычно пользуемся, невозможно. Мы даже не знаем, как подойти к прогнозированию. Общая теория относительности основана на классической пространственной геометрии. На планковской длине категории пространства и времени из-за квантовых флук- туаций может образовать слишком сложную структуру, к которой уже неприложимы традиционные формулы тяготения. Чтобы делать какие бы то ни было предсказания о планковских расстояниях, нам необходимо обзавестись новой концептуальной теорией, объединяющей квантовую механику и гравитацию в еди- ную теорию, известную как теория квантовой гравитации . Зако- ны природы, наиболее эффективно работающие на планковских расстояниях, должны сильно отличаться от тех, которые уже до- казали свою справедливость на доступных нашему наблюдению масштабах. Не исключено, что для понимания планковского мас- штаба понадобится не менее фундаментальный сдвиг парадиг- мы, чем переход от классической механики к квантовой. Пусть мы не можем производить измерения на самых крохотных рас- стояниях, но у нас есть шанс больше узнать о фундаментальной теории гравитации, пространстве и времени при помощи все бо- лее сложных теоретических построений. Самый популярный кандидат на роль «теории всего» — так называемая теория струн . Первоначально в ней речь шла о том, что на определенных масштабах фундаментальные частицы за- меняются на фундаментальные струны. Сегодня нам известно, что в теории струн помимо собственно струн фигурируют и другие фундаментальные объекты (в главе 17 мы узнаем об этом больше), а ее название иногда заменяют на более широкое (но менее опреде- ленное) — М-теория. В настоящее время эта теория — самое много- обещающее направление исследований квантовой гравитации. ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 129 Однако теория струн ставит перед исследователями громад- ные концептуальные и математические проблемы. Никто пока не знает, как сформулировать теорию струн, чтобы ответить на все вопросы, с которым должна иметь дело теория квантовой грави- тации. Более того, размеры струн порядка 10 –33 см, скорее всего, неподвластны экспериментам. Поэтому возникает резонный вопрос: стоит ли тратить время и ресурсы на исследования в области теории струн? Мне очень ча- сто задают этот вопрос. Зачем изучать теорию, из которой вряд ли следует хоть что-нибудь, что можно проверить эксперименталь- но? Некоторые физики считают, что достаточным основанием для этого является математическая и теоретическая непротиворе- чивость теории. Эти люди надеются повторить успех Эйнштейна, которому удалось разработать общую теорию относительности на основе почти исключительно теоретических и математических построений. Другим мотивом к изучению теории струн — мотивом, ко- торый лично мне представляется очень важным — является то, что она позволяет нам по-новому взглянуть на идеи, следствия из которых могут проявляться и на измеримых расстояниях. Приведем две такие идеи: это суперсимметрия и теории допол- нительных измерений , о которых мы тоже поговорим в главе 17. В физике элементарных частиц эти теории имеют эксперимен- тальные следствия. Более того, если некоторые теории, связанные с дополнительными измерениями, подтвердятся и смогут объяс- нить явления, наблюдаемые на энергиях БАКа, то можно будет рассчитывать на получение данных по теории струн тоже на го- раздо более низких энергиях, чем считается в настоящий момент. Открытие суперсимметрии или дополнительных измерений само по себе не докажет теорию струн, но это будет сильный аргумент в пользу работы над абстрактными идеями, у которых нет прямых экспериментально проверяемых следствий. |