Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
ГЛАВА 18 СНИЗУ ВВЕРХ ИЛИ СВЕРХУ ВНИЗ? Ничто не заменит ученым реальных экспериментальных результа- тов. Мы, физики, не сидели сложа руки последние 25 лет в ожида- нии пуска БАКа и появления надежных данных. Мы тщательней- шим образом обдумывали, что именно следует искать в экспери- ментах и что должны означать те или иные результаты. Мы также изучали данные экспериментов, проводившихся в этот период, и сумели узнать немало интересных подробностей об известных частицах и взаимодействиях, что помогало определиться с направ- лением основных исследований. Этот период дал нам прекрасную возможность углубленно по- размышлять о вещах, не связанных напрямую с экспериментом. Самые интересные и смелые модели и теоретические прогнозы этого периода стали следствием углубленных математических ис- следований. Сомневаюсь, что мне, к примеру, пришло бы в голову заняться дополнительными измерениями или чисто математиче- скими аспектами суперсимметрии, если бы экспериментальных данных было достаточно. Даже если бы измерения показали, что эти идеи верны, то без предварительной очень серьезной ма- тематической работы в их следствиях пришлось бы разбираться довольно долго. И эксперименты, и математика способствуют развитию науки. Но дорога прогресса редко бывает простой и понятной, и физики по-разному смотрят на то, какая стратегия исследований являет- ся наилучшей. Авторы моделей используют подход «снизу вверх», 408 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ представленный в главе 15; они начинают с известных фактов (вы- ясненных в ходе экспериментов), а затем обращаются к оставшим- ся загадкам и особенностям, не нашедшим объяснения. При этом они часто и активно используют теоретические математические построения. В предыдущей главе мы познакомились с некоторы- ми примерами моделей и поговорили о том, как характер модели влияет на поиск, который будут проводить на БАКе эксперимен- таторы. Другие, в особенности специалисты по теории струн, приме- няют подход «сверху вниз»: они начинают с теории, которую счи- тают верной, — в данном случае с теории струн — и пытаются при помощи заложенных в нее принципов сформулировать не- противоречивую квантовую теорию гравитации. Теории, основан- ные на таком подходе, определены на высоких энергиях и малых расстояниях, и само название подхода является отсылкой к тео- ретическому утверждению о том, что все можно вывести из фун- даментальных принципов, определенных на масштабе высоких энергий. Конечно, с названием можно запутаться — ведь высо- кие энергии соответствуют малым расстояниям, — но не стоит забывать, что объекты, действующие на малых расстояниях, пред- ставляют собой фундаментальный строительный материал любо- го вещества. При таком подходе все можно вывести из базовых принципов и фундаментальных факторов, которые определяются на малых расстояниях и высоких энергиях, — отсюда и название «сверху вниз». В этой главе мы поговорим о подходах «снизу вверх» и «сверху вниз» и о том, чем они отличаются друг от друга. Мы попробуем разобраться в их различиях, но подумаем и о том, как они иногда сливаются, рождая замечательные идеи. ТЕОРИЯ СТРУН В отличие от авторов моделей, физики-теоретики с большей склон- ностью к математике пытаются работать, отталкиваясь от чистой теории. Каждый из нас надеется начать с единственной элегант- ной теории; лишь разобрав по косточкам все ее последствия, сле- СНИЗУ ВВЕРХ ИЛИ СВЕРХУ ВНИЗ? 409 дует попытаться применить полученные закономерности к экс- периментальным данным. Почти любая попытка создания еди- ной теории воплощает в себе такой подход, и теория струн здесь не исключение; это, возможно, самый показательный пример. Это попытка при помощи чисто теоретических рассуждений вывести наиболее фундаментальные принципы, из которых в принципе следуют все известные физические явления. Специалисты по теории струн делают громадный скачок, пере- прыгивая по физической шкале сразу от масштаба слабого взаи- модействия к планковскому масштабу, при котором гравитация становится сильной. Маловероятно, что в обозримом будущем эти идеи удастся непосредственно проверить в эксперименте (хотя многомерные модели, описанные в предыдущей главе, могут стать приятным исключением). Но, несмотря на то что саму теорию струн проверить очень сложно, ее элементы порождают в умах теоретиков мысли и концепции, которые вполне могут войти в по- тенциально наблюдаемые модели. Выбирая между теорией струн и строительством моделей, фи- зики, по существу, задаются философским вопросом и выбирают между подходом Платона, который пытался проникнуть в суть ве- щей, опираясь на фундаментальные истины, и Аристотеля, исхо- дившего из эмпирических наблюдений. Какой подход выбрать — «сверху вниз» или «снизу вверх»? Этот выбор можно сформули- ровать и иначе. Кто лучше — молодой Эйнштейн или старый? Первоначально Эйнштейн проводил мысленные эксперименты, основанные на реальных физических ситуациях. Тем не менее он также ценил красоту и элегантность. Даже когда эксперименталь- ные результаты противоречили его мыслям о специальной теории относительности, он уверенно (и, как выяснилось в конце концов, верно) решал, что эксперимент ошибается, потому что его след- ствия были бы слишком некрасивыми и доверия не вызывали. Эйнштейн стал склоняться к математическому подходу после того, как математика помогла ему завершить общую теорию от- носительности. Поскольку математические построения оказались необходимы для завершения его теории, позже Эйнштейн стал относиться к теоретическим методам с бо льшим доверием. Одна- 410 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ко пример Эйнштейна не позволяет сделать однозначный выбор: ведь, несмотря на успешное применение математики при созда- нии общей теории относительности, более поздние математиче- ские поиски единой теории поля успехом не завершились. Теория великого объединения, предложенная Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу, также была основана на подходе «сверху вниз». Вообще, подобные теории, как правило, базируются на реальных данных — при их создании авторы опираются на конкретный на- бор частиц и взаимодействий, существующих в Стандартной модели, а также на силу взаимодействий. Но при этом теория экстраполирует происходящее от того, что нам достоверно известно, до того, что, воз- можно, происходит на очень отдаленных от нас масштабах энергий. Интересно, что хотя Великое объединение взаимодействий должно произойти на значительно более высоких энергиях, чем те, что могут быть достигнуты в ускорителях частиц, даже первона- чальная модель теории позволяла прогнозировать потенциально наблюдаемые события. Так, модель теории Великого объединения Джорджи — Глэшоу предсказывала, что протон должен распадаться. Распад протона — редкое событие, но экспериментаторы проанали- зировали гигантский объем информации с надеждой найти видимый след хотя бы одного протонного распада. Когда этого не произошло, первоначальная теория Великого объединения была отвергнута. С тех пор ни Джорджи, ни Глэшоу не работали над теориями, построенными «сверху вниз» и позволяющими сделать громадный скачок от энергий, которые мы можем непосредственно наблюдать в ускорителях, к энергиям, настолько от нас далеким, что происходя- щее там может давать лишь очень слабые экспериментально наблю- даемые следствия или, что еще вероятнее, не давать вообще никаких. Эти ученые решили, что шансы угадать принципы, действующие на много порядков дальше, чем все наблюдаемые в нашем мире яв- ления, что мы непосредственно наблюдаем, просто ничтожны. Несмотря на скепсис Джорджи и Глэшоу, многие физики решили, что разбираться с некоторыми сложными теоретическими вопроса- ми можно только на основании подхода «сверху вниз». Специали- сты по теории струн выбрали для себя область деятельности, которая не является в строгом смысле наукой, но уже породила множество ин- СНИЗУ ВВЕРХ ИЛИ СВЕРХУ ВНИЗ? 411 тереснейших, хотя и противоречивых идей. Эти люди в какой-то сте- пени разобрались в своей теории, но по большей части до сих пор за- няты складыванием головоломки — ищут ключевые фундаменталь- ные принципы и одновременно развивают свои радикальные идеи. Рассматривать теорию струн как теорию гравитации их за- ставляют не конкретные экспериментальные данные, а теорети- ческие загадки. Теория струн предлагает естественного кандидата на роль гравитона; в то же время квантовая механика говорит нам, что такая частица должна существовать и передавать гравитаци- онное взаимодействие. В настоящее время эта теория — ведущий кандидат на роль полностью непротиворечивой теории кванто- вой гравитации — теории, в которую должны войти и квантовая механика, и общая теория относительности Эйнштейна и которая должна работать на всех представимых энергетических масштабах. Физики могут использовать известные теории для надежного прогнозирования на малых расстояниях: к примеру, внутри атома, где квантовая механика играет огромную роль, а сила тяготения пренебрежимо мала. Поскольку гравитация почти не оказывает действия на частицы атомного масштаба масс, мы вполне можем учитывать только квантовую механику, а тяготение со спокойной совестью игнорировать. Кроме того, физики могут уверенно про- гнозировать явления на больших расстояниях: к примеру, в преде- лах размеров галактик, где гравитация играет решающую роль, а квантовой механикой можно спокойно пренебречь*. Однако у нас нет теории, которая включала бы одновремен- но и квантовую механику, и гравитацию и работала бы на всех возможных энергиях и расстояниях. В частности, мы не знаем, как проводить расчеты на по-настоящему громадных энерги- ях и чрезвычайно малых расстояниях, сравнимых с энергией или длиной Планка. Поскольку на более тяжелые и энергичные частицы гравитация влияет сильнее, для частиц с массой порядка массы Планка она будет играть существенную роль. А на крохот- * Забавно тем не менее, что применение принципа Паули для галактической темной материи из фермионов дает модельно-независимое ограничение снизу на массу частицы темной материи (фермион должен быть тяжелее, чем примерно 1 кэВ). — жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|