Сапфо
Модератор
Ветеран
Сообщений: 3401
Paul Is Live!!!
|
 |
« Ответ #48 : 31 Декабря 2013, 13:23:31 » |
|
СУПЕРСТРУНЫ
Мы приближаемся к концу. Это свежая тема в теории частиц. Самый главный урок, который можно получить от истории науки - скромность. Наука много знает о структуре мира, но, конечно, известного гораздо меньше, чем неизвестного. Сегодня нет такой научной теории и даже закона, которые завтра не смогут быть изменены или отвергнуты. "На большие неизменные принципы природы", - пишет некий Филипп Моррисон в "Нарушении четности", - "можно положиться в пределах их использования, но априори они не самоочевидны и необязательно универсальны. Следует с большой точностью проверить и перепроверить эти большие фундаментальные принципы. Наше время радостное".
Одна из самых радостных перспектив, в которую верят многие физики - это построение теории частиц, которая объясняет изящным математическим способом, отчего все частицы ведут себя именно так, а не иначе. Некий Авраам Пэй в статье "Частицы" описал физику частиц как "состояние, похожее на симфонический зал до начала концерта. Музыканты на сцене еще не все, настраивают инструменты. Звучат короткие отрывки, импровизации, фальшивые ноты. Какое-то чувство подсказывает, что сейчас начнется симфония".
Если бы мы сразу же услышали несколько мелодий из большой новой симфонии, эта музыка поразила бы нас. Фримен Дайсон в статье "Обновленная физика" вспоминает, что Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули выдвинули необычную теорию частиц, которая объясняет нарушение четности в "слабых" взаимодействиях. Паули читал в Нью-Йорке лекцию по этой новой теме группе ученых, среди которых был и Нильс Бор. В обсуждении молодые ученые критиковали Паули.
"Мы согласны", - сказал Бор, - "что ваша теория безумна. Вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть верной. Я чувствую, что недостаточно".
Дайсон комментировал это так: "Возражение, что они недостаточно безумны, подходит ко всем попыткам, которые предпринимались для радикально новой теории элементарных частиц. Большинство безумных трудов, предложенных в научные журналы, отклонены не из-за того, что непонятны, а из-за того, что понятны. Обычно печатаются непонятные. Когда появляется большое обновление, оно почти всегда запутанное, неполное, сбивающее с толку. Для самого открывателя оно понятно только наполовину, а для остальных - вообще тайна. Любые размышления, которые с первого взгляда не кажутся безумными, практически безнадежны".
Некий Джереми Бернстайн присутствовал в аудитории, когда Паули читал лекцию о странной теории, которую они с Гейзенбергом приготовили, чтобы объяснить всю физику частиц одним уравнением. Подробности того, что произошло, когда вызвали Бора, описаны в автобиографии Бернстайна: "Произошел самый необычный, самый неземной, самый трогательный случай, какой я только видел. 2 великих физика современности вращались по круговой орбите вокруг длинного лекционного стола. Бор, поворачиваясь к публике, повторял, что эта теория не была достаточно безумной, а Паули говорил, что была. Я думал, как на это отреагирует внешний, неученый мир. Когда вызвали Дайсона, он отказался комментировать. Потом он объяснил, что наблюдал "смерть благородного животного". И он не ошибся. Через несколько месяцев Паули умер от рака. Перед этим он говорил о "теории Гейзенберга", как он предпочитал называть ее, с насмешкой. Возможно, краткий роман Паули с этой теорией был только признаком болезни".
Среди многих других безумных размышлений, которые продолжают появляться, самыми серьезными в наше время считаются теория вихрей Роджера Пенроуса и более новомодная теория суперструн. Считается, что вихри когда-нибудь придадут суперструнам геометрический фундамент. Вихри - это абстрактные геометрические предметы, родственные спИнам и смоделированные в сложном пространстве, которое Пенроус поставил ниже уровня обычного пространства и времени. Эта теория вихрей особенно удивительна тем, что рассматривает вселенную на фундаментальном уровне как асимметрическую.
Теория суперструн такая же безумная. Некоторые яркие умы по теории частиц работают над ней, и каждый месяц появляются дюжины работ, которые успевают устареть раньше, чем высохнут чернила. Если какая-нибудь из этих теорий, а лучше смесь обеих, окажется верной, это будет огромный сдвиг понятий.
Теория относительности - работа одного человека. Эйнштейн смело предположил, что вселенная не позволяет абсолютно измерять длину, время и движение относительной системы отсчета. Сначала эта специальная теория относительности применялась только к равномерному движению, потом огромное творческое воображение Эйнштейна обобщило ее для ускоренного движения. Это потребовало новой теории тяготения и странного понятия, названного Эйнштейном принципом равнозначности, что тяготение и инерция - одно и то же. Окончательный принцип смешанного изменения говорит, что, независимо от движения наблюдателя, все законы природы выражаются одинаковыми уравнениями. Сам Эйнштейн говорил, что теория неизменности - более понятное широкой публике название, чем теория относительности.
Теория суперструн пока еще не основана ни на какой большой схеме. Ее история напоминает пестрый прогресс квантовой механики. Как предсказал Дайсон, она запутанная, неполная и трудная для понимания. В ней до сих пор нет таких широких идей, как смешанное изменение или принцип равнозначности у Эйнштейна, двойственность волн и частиц, принцип неопределенности в квантовой механике. Несмотря на свои достижения, теория суперструн продолжает напоминать множество специально запутанных ниток или веревок, на которые нет единой точки зрения. Действительно, поиск этой точки зрения - основной предмет текущих размышлений о суперструнах.
В основу теории струн положены фермионы и кварки, которые, на наш макроскопический взгляд, кажутся точечными частицами. По шкале Планка эти частицы моделируются как очень мелкие одномерные линии-струны. Сначала предполагалось, что эти струны имеют свободные концы или соединяются в петли, как резиновые ленты. Теперь считают, что они все постоянно соединены. Этим они похожи на воронковидные кольца Кельвина. Конечно, теория струн более изысканная, связанная с теорией относительности и квантовой механикой, и использует топологию поверхностей и множество других данных, о которых Кельвин даже не подозревал.
Диаметр петли определен Планком как 10^-33, то есть 1/10^33 см. Это значит, что струна во столько же раз меньше атома, во сколько раз атом меньше солнечной системы, то есть в 100 миллиардов раз меньше протона. Вряд ли эти струны, как и любые другие поля, состоят из чего-нибудь еще более мелкого. Возможно, геометрические предметы типа вихрей являются основой этих струн, но пока струны считаются просто математической абстракцией. Когда-то атомы и молекулы тоже считались нереальными математическими предметами, но теперь стали заметными. Произойдет ли такое со струнами - неизвестно. Сейчас нет возможности их наблюдать.
Иойсиро Камбу в 1970 впервые предположил, что струны со свободными концами - полезная модель адронов, взаимодействующих частиц, к которым относятся протоны и нейтроны. Почти никто не принял это всерьез, но в 70-е годы предпринимались попытки расширить идею Камбу на все частицы. Кварки считались концами адронных струн - с одной стороны кварк, а с другой антикварк. Это понятие объяснило, отчего отдельные кварки не наблюдаются. Конец нельзя отделить от струны. Если разрезать струну, получатся 2 новых конца-кварка. А если соединить концы, кварки исчезнут. Но для модели барионов, состоящих из 3 кварков, нужны струны с 3 концами, а не с 2, как обычно.
Молодые французские физики Джон Сворт и Джоэль Шерк, который впоследствии умер от диабета, объединили теорию струн и суперсимметрию в общую теорию суперструн. Суперструна должна быть со свободными концами, невесомая и очень прочная. Она движется и вращается в обычном пространстве и вибрирует в других измерениях. Эти вибрации выделяют энергию, которая, как сказал Эйнштейн, превращается в массу. Масса и другие свойства частиц объясняются разными частотами вибрирующей суперструны. Как отреагировали другие физики на новую версию теории струн? Мисио Кану в своей книге "За пределами Эйнштейна" утверждает, что она "шлепнулась, как свинцовый шар". Причина шлепка в том, что эта теория содержит противоречия, используя такие нежелательные абсурдные предметы, как призрачные частицы с отрицательными свойствами и тахионы со сверхсветовой скоростью.
Там также есть загадка бесконечности. Когда переменная в физическом уравнении стремится к бесконечности, это считается ошибкой. Например, уравнения теории относительности не позволяют предметам двигаться со скоростью света, иначе масса предмета станет бесконечной, и он взорвется. Самое ужасное в черной дыре, если всё время придерживаться теории относительности - это то, что плотность и кривизна пространства стремятся к бесконечности. Очистка от теории бесконечности - самая трудная задача квантовой механики. Обычно это делается с помощью хитрой технологии перенормирования, когда бесконечности друг друга уничтожают. Но эта технология кажется такой искусственной и некрасивой, что многие физики, в том числе и Дирак, считали ее обманчивой и требовали избегать.
В 1984 теория струн была обновлена. Сворту и Майклу Грину удалось ограничить в теории суперструн трудности и противоречия, которые когда-то мешали ей. На следующий день эта теория возродилась, как сказочный феникс из пепла, став в наше время главным претендентом на всеобщую теорию. Бесконечности, призрачные частицы и тахионы исчезли из теории, как по волшебству. Это была самая замечательная всеобщая теория, требующая тяготение в качестве основной части. Остальные всеобщие теории вставляли тяготение в схему вручную просто из-за того, что его нельзя терять. А в новой теории суперструн Грина и Сворта использована теория тяготения Эйнштейна с принципом равнозначности. Гравитон, гипотетическая частица-носитель тяготения, должен существовать - это простейший вид вибрации струны.
Теория 1 типа, предложенная Грином и Свортом, включает в себя струны со свободными и замкнутыми концами, скользящие по десятимерному пространству и времени. Теория 2 типа, сформулированная через год, включает в себя замкнутые петли и основана на группе SO32. Эти маленькие петли могут скручиваться, вертеться, вибрировать и завязываться в узлы.
Теория Калузы и Клейна, которая упоминалась в прежних изданиях, тогда считалась просто занятной причудой. Это был умный, но практически невероятный способ объединить тяготение с электромагнетизмом и считать положительный и отрицательный заряд с их противоположной спиральностью гравитационными волнами в 5 компактных измерениях. Перед тем, как написать книгу, Гарднер спрашивал у специалистов по квантовой механике, что они думают об этой теории. Никто о ней даже и не слышал. Только через 20 лет физики вновь открыли эту теорию и обобщили на большее количество компактных измерений. Эти обобщенные теории Калузы и Клейна создавались как первые теории объединения и всеобщие теории. Они также являются основой теории суперструн.
В теории 2 типа компактное пространство имеет 6 измерений, которые искривлены и прикреплены к каждой точке пространства и времени. Петли струн вращаются и движутся в обычном пространстве, но они также вибрируют в перпендикулярных знакомым координатам направлениях - в невидимых компактных измерениях, которые мы не можем себе представить. Разнообразные гармонические колебания этих вибраций отвечают за все свойства частиц.
Какую топологическую форму принимают 6 скрытых измерений? Этот вопрос часто обсуждается, как и топологическая структура вакуумного состояния вселенной. Существуют буквально тысячи разных топологических форм, которые может принимать компактное пространство - от гиперкругов с отверстиями до более причудливых. Если компактное пространство множественное, то есть без сплошного единства, оно называется множеством Калаби и Яу. Если же структура имеет единство, она называется орбитальной.
Разные вибрации петель определяют виды частиц. Взаимодействия бывают 2 видов - петли соединяются в 1 большую и петля расщепляется на 2 или больше. В теории относительности след движущейся точечной частицы в пространстве и времени называется мировой линией. Это самый простой и прямой путь между точками пространства и времени. В теории суперструн петля, движущаяся по пространству и времени, оставляет след в виде двумерной мировой поверхности.
Движение свободной струны напоминает лист бумаги, а замкнутой петли - трубу, перпендикулярную плоскости петли. При расщеплении петли на 2 или соединении 2 петель в 1 получаются штаны. (То же пишет и Кобяков в книге "Бессмертный дар": "В то время редко кто говорил брюки, в ходу было русское слово штаны. Да и можно ли себе представить название поэмы Маяковского "Облако в брюках"? Слово брюки не русское, происходит от названия голландской материи, из которой шили штаны, заимствовано из немецкого. А штаны, возможно, образовались от русского глагола шить, как шило, швальня, швец. В русских пословицах и загадках часто встречаются штаны. По дороге я шел, 2 дороги нашел, по обеим пошел, что это такое? Штаны. Кто в зеленых штанах? Незрелый орех. Уча алгебру, дети решают задачу о пифагоровых штанах, а не о пифагоровых брюках. А все-таки хорошее русское слово штаны") Если же петли соединяются, а потом разъединяются - получаются штаны с обеих сторон. И так же, как мировые линии, мировые поверхности имеют наименьшую площадь между положениями движущейся петли.
На схемах взаимодействия частиц Фейнмана есть точки, стремящиеся к бесконечности. А на схемах поверхностей в теории струн таких точек нет, и бесконечности тоже нет. Технология перенормирования не нужна, так как струны при взаимодействии не взрываются. Мы не учитываем того, что квантовые колебания порождают на мировых поверхностях мелкие протуберанцы, иначе называемые головастиками. Даже исчезает единство центра черной дыры. Огромная звезда после коллапса превращается в простую суперструну.
Одно время поклонники теории суперструн считали, что в пространстве Калузы и Клейна 11 измерений - 4 в нашем знакомом пространстве и времени, 7 компактных. Но это продолжалось недолго. Некий Эдвард Виттен, энергичный и творческий поклонник суперструн, доказал, что асимметрия, то есть левое и правое различие частиц и античастиц, сохраняется только в пространстве и времени с четными измерениями - 1 время и нечетное пространство. Это доказательство основано на факте, что асимметрический предмет, отраженный в четном количестве зеркал, не отличается от первоначального. Например, левое ухо в четном количестве зеркал остается левым, а в нечетном превращается в правое. Поэтому теперь поклонники суперструн считают, что пространство Калузы и Клейна имеет 10 измерений. Виттен также выдвинул новую теорию квантового поля для суперструн, связанную с современным развитием теории узлов. Как эта новая проблема связана с вихрями, и связана ли вообще - непонятно.
Самая новая и популярная версия теории суперструн называется гибридной - она объединяет обе прежние теории. Этот новый подход придумала группа из 4 физиков - Дэвид Гросс, Джефри Гарви, Эмиль Мартинес и Райн Роум, известные как "струнный квартет из Принстона". Трудно представить более причудливую теорию частиц. Волны могут двигаться вокруг петли в разных направлениях. Левые фермионы вращаются по часовой стрелке и вибрируют в 6 компактных измерениях. Правые носители-бозоны вращаются в другую сторону и вибрируют в 22 компактных измерениях. Бозоны и фермионы движутся в петле одновременно, в разных направлениях и не смешиваются друг с другом. 10 измерений, включая время, в которых живут фермионы, являются настоящими. Бозоны живут в 26 измерениях, включая время, из которых 6 настоящих компактных, 4 в обычном пространстве и времени, а остальные 16 считаются внутренним пространством - искусственной математической моделью, придуманной для того, чтобы всё хорошо работало. Если расширить понятие солитона, можно считать эти волны топологическими солитонами, постоянно находящимися у себя дома.
А теперь нужно кое-что добавить по поводу того, как эта гибридная теория струн объясняет асимметрию частиц, их положительные и отрицательные заряды. Если электрон и позитрон движутся вокруг петли в одном направлении, отличаются ли они противоположными спиралями? Есть ли асимметрическая основа для противоположных зарядов, или теория ничего не говорит об этом, кроме того, что противоположные квантовые числа как-то разбросаны по струне? На эту тему книги о суперструнах обычно не распространяются, да и специалисты не могут или не хотят объяснять это понятным языком. Пусть какой-нибудь умник сам напишет статью для научного журнала о роли зеркальной симметрии в теории суперструн.
В теории струн появляется волшебное число 496. В теории свободных струн Грин и Сворт нашли 496 комбинаций из 16 зарядов на концах струн. В гибридной теории замкнутых струн эти 16 зарядов образуют 496 бозонов. В большинстве своем они слишком тяжелые, чтобы их можно было получить на современных маломощных ускорителях. Это число указывает на факт, что в группе S032, основе теории свободных струн, и в Е8*Е8, основе гибридной теории струн, 496 генераторов.
Нумеролог Ирвинг Матрикс говорит, что 496 - это треугольное и совершенное число. (Треугольные числа, как написано в википедии - это суммы последовательных чисел от 1 до N. А совершенные числа равны сумме всех своих делителей) Кроме того, оно равно 31*4*4, а если еще умножить на 4, получится 1984 год, в котором Грин и Сворт обнаружили это число. Кроме того, 496 раскладывается так:
1+2+4+8+16+31+62+124+248
При переходе от 16 к 31 удвоение кончается, а потом начинается опять. (Могу еще добавить, что в музыке и в азбуке Морзе подобные отклонения не редкость. Так как 3 большие терции, или 4 малые, образуют полную октаву, аккорды типа #3#5#7 или b3b5b7b9 рассматриваются не как самостоятельные, а как обращения аккордов #3#5 и b3b5b7. Напомню, что # - это диез, повышение, а b - это бемоль, понижение. А буквы, кодированные 5 символами, практически не встречаются, поэтому возможных расшифровок одной и той же фразы меньше, чем 2^(N-1), где N - количество символов данной фразы)
Самая странная особенность гибридной теории - возможность существования теневого вещества. Как будто большой взрыв искривил 6 измерений, или же искривление вызвало большой взрыв, после чего могла образоваться параллельная вселенная. Бешкович выдвинул идею пересекающихся, но не взаимодействующих вселенных. Это обычная фантастическая тема. Гибридная теория струн предполагает, что параллельный мир может существовать. Эта теневая вселенная невидима, но содержит звезды, планеты и даже людей. А так как ее масса взаимодействует с нашей, ее можно обнаружить. Кажется, теневое вещество объясняет недостаток массы, который нужен астрономам, учитывая образование галактик и другие космологические загадки.
Теневое солнце возле нашего должно влиять на солнечную систему. Есть некоторые признаки этого влияния, и астрофизики предполагают, что оно вызывается какой-то звездой-спутником под названием Немезида. Возможно, эта Немезида и есть невидимое теневое солнце. Скорее всего, теневое вещество плавает по вселенной, образуя далекие невидимые звезды и проникая в середину планет. Считается, что, когда миры разделились, теневой мир ломается на разнообразные поля, частицы и законы. "Кто знает, какие тайны прячутся внутри вселенной?" - спрашивает некий Дитрих Томсен в статье о теневом мире. И отвечает: "Это знает тень, то есть теневое вещество". Надо добавить, что не все физики серьезно воспринимают этот теневой мир.
|
