Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

• электрон, испуская W-бозон, превращается в нейтрино;

• u-кварк, испуская W-бозон, превращается в d-кварк;

• u-кварк, испуская W-бозон, превращается в s-кварк;

• c-кварк, испуская W-бозон, превращается в s-кварк;

• t-кварк, испуская W-бозон, превращается в b-кварк;

• бозон Хиггса испускает Z-бозон…

Список можно продолжать, но он включает в себя частицы, с которыми мы познакомимся только в следующих главах.

Как я уже говорил, протоны и нейтроны не попадают в список элементарных частиц потому, что они состоят из кварков, но иногда полезно забыть о кварках и представлять нуклоны как элементарные частицы. Это потребует от нас добавить некоторые дополнительные вершины. Например, протон может испускать фотон. В действительности фотон испускает один из составляющих протон кварков, но внешне всё выглядит так, как будто это сделал протон. Аналогичным образом один из двух d-кварков внутри нейтрона может испустить W-бозон и превратиться в u-кварк, обусловив таким образом превращение нейтрона в протон. Этот процесс будет описываться вершиной, в которой нейтрон становится протоном, испуская W-бозон.

Теперь мы готовы рисовать диаграммы Фейнмана, объясняющие бета-излучение, которое обнаружил Беккерель, изучая соли урана. Диаграмма будет выглядеть практически так же, как КЭД-диаграмма, за исключением того, что в том месте, где на диаграмме КЭД должен быть обмен фотонами, у нас будет обмен W-бозонами. В действительности слабое взаимодействие очень тесно связано с электромагнитным за счёт фотонов.

Возьмите картонку с прорезанной в ней щелью, начните перемещать её над диаграммой снизу вверх. Нейтрон (который может находиться внутри ядра) испускает отрицательно заряженный W-бозон и превращается в протон. W-бозон пролетает очень малое расстояние (около 10–16 см) и распадается на две частицы: электрон и движущееся вспять во времени нейтрино, или, на светском языке, антинейтрино. Вот что мог бы увидеть Беккерель в 1896 году, если бы имел очень мощный супермикроскоп. Позже мы увидим важность такого процесса в создании химических элементов, из которых мы состоим.

Законы Физики

Теперь, надеюсь, вы имеете чёткое представление о том, что я подразумеваю под Законами Физики. К сожалению, я не могу подобно некоторым физикам сказать вам, что эти законы элегантны. Правда состоит в том, что это не так. В этой картине слишком много частиц, слишком много вершин диаграмм и слишком много констант связи, а ведь я ещё не рассказал вам о случайном наборе масс, которыми обладают частицы. Все это образует очень неприятный коктейль, но есть одно «но»: эти законы описывают свойства элементарных частиц, ядер, атомов и молекул с невероятной точностью.

Однако цена, которую приходится платить, требует введения не менее 30 «физических констант»[29] – масс и констант связи, значения которых не имеют иного обоснования, кроме того, что они «работают». Откуда берутся эти числа? Физики не в состоянии вывести эти числа ни из тонких материй, ни из математических вычислений. Они являются результатом многих лет экспериментальных исследований элементарных частиц на ускорителях в лабораториях многих стран. Многие из этих констант, как, например, постоянная тонкой структуры, были измерены с большой точностью, но в конечном итоге, как я уже сказал, мы не понимаем, почему они такие, какие есть.

Стандартная модель является кульминацией и квинтэссенцией более чем полувековой истории развития физики элементарных частиц. В сочетании с методом фейнмановских диаграмм она даёт точные описания всех явлений в физике элементарных частиц, включая способы объединения частиц в атомные ядра, атомы, молекулы, газы, жидкости и твёрдые тела. Но она слишком сложна, чтобы служить образцом простоты, которая, как мы надеемся, будет отличительной чертой действительно фундаментальной теории – окончательной теории природы.

В отличие от человеческих законов, Законы Физики являются безусловными законами. Мы можем соблюдать закон или игнорировать его, но электрон не имеет такого выбора. Эти законы не похожи на правила дорожного движения или налоговое законодательство, которое меняется от штата к штату и от года к году. Возможно, самый важный экспериментальный факт, который вообще делает возможным изучение физики, состоит в том, что все мировые константы действительно являются константами. Эксперименты, поставленные в разное время в разных местах, описываются одними и теми же фейнмановскими диаграммами и дают одни и те же значения для каждой константы связи и массы. Когда постоянная тонкой структуры была измерена в Японии в 1990-х, она оказалась точно такой же, как и в Брукхейвенской лаборатории в Лонг-Айленде в 1950 году или в Стэнфордском университете в 1970 году.

В самом деле, когда физики проводят космологические исследования, они принимают как должное, что законы природы одинаковы повсюду во Вселенной. Но законы не обязаны быть такими. Безусловно, можно представить себе мир, в котором постоянная тонкой структуры изменяется со временем или в котором отдельные константы варьируются от одного места к другому. Время от времени физики ставят под сомнение предположение, что константы абсолютно постоянны, но пока что у нас нет ни одного свидетельства того, что они не одинаковы в любой части наблюдаемой Вселенной: не во всём гигантском Мегаверсуме, а в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать при помощи различных типов телескопов, имеющихся в нашем распоряжении.

Когда-нибудь мы сможем достичь далёких галактик и измерить константы непосредственно на месте. Но даже сейчас мы постоянно получаем «сводки» из удалённых областей Вселенной. Астрономы ловят свет, приходящий от далёких источников, и распутывают спектральные линии, образующиеся при излучении или поглощении света далёкими атомами.[30] Отношения между отдельными спектральными линиями весьма запутанны, но они всегда одинаковы, независимо от того, где и когда возник пойманный телескопом свет. Практически любое изменение в местных Законах Физики изменило бы детали спектра, так что у нас есть убедительное свидетельство, что правила одинаковы во всех частях наблюдаемой Вселенной.

Эти правила – список частиц, масс и констант связи, список фейнмановских правил – то, что я называю Законами Физики, – универсальны. Они управляют практически всеми аспектами физики, химии и, в конечном счёте, биологии, но они не объясняют сами себя. У нас нет теории, которая сказала бы нам, почему правильна именно Стандартная модель, а не что-то другое. Может быть, есть ещё и другие Законы Физики? Могут ли списки элементарных частиц, масс и констант связи отличаться от наших в тех частях Вселенной, которые мы не можем наблюдать? Могут ли Законы Физики далёкого прошлого отличаться от нынешних? Если да, то что управляет их изменением? Существуют ли более глубокие законы, определяющие, какие Законы Физики возможны, а какие нет? Таковы вопросы, стоящие перед фундаментальной физикой в начале XXI века. Ответам на эти вопросы и посвящён «Космический ландшафт».

Кое-что может вызвать у вас недоумение после прочтения этой главы. Я не раз упоминал, что наиболее важной силой во Вселенной является гравитация. Ньютон создал классическую теорию гравитации, которая носит его имя. Эйнштейн ещё глубже проник в природу гравитации в общей теории относительности. И, несмотря на то что законы гравитации гораздо важнее для определения судьбы Вселенной, чем все остальные, гравитация не является частью Стандартной модели. Причина такой дискриминации вовсе не в том, что тяготение не имеет значения. Напротив, из всех сил природы оно будет играть в этой книге самую большую роль. Причина отделения законов гравитации от других законов заключается в том, что отношение гравитации к микроскопическому миру квантово-механических элементарных частиц ещё никому не понятно. Фейнман пытался применить собственные методы к гравитации и с сожалением сдался. Более того, он как-то посоветовал мне никогда не заниматься этой темой. Пусть это печенье пока постоит в закрытой банке на верхней полке…

В следующей главе я расскажу вам о «матери всех физических проблем». Это мрачная сказка о том, как всё идёт наперекосяк при попытке совместить гравитацию с описанными выше Законами Физики. Это жестокий рассказ о крайних формах насилия над природой. Законы Физики в том виде, как мы их понимаем, готовят нам чрезвычайно смертоносную Вселенную. Очевидно, в супе чего-то не хватает.

Глава 2. Мать всех физических проблем

Нью-Йорк, 1967

Впервые я узнал о «матери всех физических проблем» в один погожий осенний день в Нью-Йорке в малоизвестном районе Вашингтон-Хайтс. Расположенный в трёх километрах к северу от Колумбийского университета, Вашингтон-Хайтс является частью Манхэттена, но во многих отношениях больше напоминает Южный Бронкс, где я вырос. Когда-то он был еврейским районом, где проживали представители среднего класса, но потом большинство евреев покинули его, и их сменили латиноамериканцы, преимущественно кубинские рабочие. Этот большой район недорогих кубинских ресторанов был моим любимым кубинско-китайским местом.