Кратчайшая история времени Стивен Хокинг Леонард Млодинов (стр. 21 из 28)

Большое тело вроде Земли или Солнца содержит почти равное число положительных и отрицательных зарядов. Таким образом, притяжение и отталкивание между отдельными частицами почти уравновешивают друг друга и результирующая электромагнитная сила очень невелика. Однако в масштабах атомов и молекул электромагнитные силы доминируют. Электромагнитное притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра удерживает электроны на орбите вокруг ядра атома, так же как гравитационное притяжение заставляет Землю обращаться вокруг Солнца. Электромагнитное притяжение принято объяснять обменом большим количеством частиц, называемых фотонами. Опять‑таки эти фотоны — виртуальные частицы. Но, когда электрон перемещается с одной орбиты на другую, ближе к ядру, высвобождается энергия и испускается реальный фотон — при подходящей длине волны его может регистрировать человеческий глаз или такой детектор фотонов, как, например, фотопленка. И наоборот, когда реальный фотон сталкивается с атомом, он может переместить электрон на более удаленную от ядра орбиту. На это уходит энергия фотона, и потому он поглощается.

Третья категория называется слабым ядерным взаимодействием. В повседневной жизни мы не сталкиваемся с ним непосредственно. Слабое взаимодействие ответственно за радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер. Природа слабых ядерных сил оставалась не вполне ясной до 1967 г ., когда Абдус Салам из Имперского колледжа в Лондоне и Стивен Вайнберг из Гарварда независимо друг от друга предложили теории, которые объединяли слабое взаимодействие с электромагнитным, подобно тому как примерно веком раньше Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме. Теоретические предсказания подтвердились настолько точно, что в 1979 г . Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике вместе с еще одним ученым из Гарварда, Шелдоном Глэшоу, который тоже предложил похожую объединенную теорию электромагнитных и слабых ядерных сил.

В четвертую категорию входит самое мощное из всех сильное ядерное взаимодействие. Оно также не имеет непосредственного отношения к нашему повседневному опыту, но это та самая сила, которая скрепляет б о льшую часть окружающего нас мира. Она удерживает кварки внутри протонов и нейтронов и не дает протонам и нейтронам покинуть ядро атома. Если бы не она, отталкивание положительно заряженных протонов разорвало бы все атомные ядра во Вселенной, кроме ядер водорода, состоящих из одного протона. Переносчиком сильного ядерного взаимодействия считается глюон[13] — частица, которая взаимодействует только сама с собой и с кварками.

Успешное объединение электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий подтолкнуло к множеству попыток присовокупить к ним концепцию сильного ядерного взаимодействия в рамках доктрины, названной «великим объединением». В этом названии есть доля преувеличения: получающиеся теории не такие уж великие и не вполне объединенные, раз они не включают гравитацию[14]. Кроме того, эти объединенные теории не назовешь полными, поскольку они содержат множество параметров, велечину которых нельзя предсказать теоретически — ее приходится подбирать экспериментально. Но, так или иначе, эти теории могут стать очередным шагом к полной, исчерпывающей объединенной теории.

Главная трудность при поиске теории, объединяющей гравитацию с другими взаимодействиями, состоит в том, что общая теория относительности, описывающая гравитацию, является единственной неквантовой теорией: она не принимает во внимание принцип неопределенности. Частные теории, описывающие все остальные взаимодействия, основываются на квантовой механике, и поэтому для объединения с ними теории гравитации требуется найти способ, позволяющий включить принцип неопределенности в общую теорию относительности, то есть сформулировать квантовую теорию гравитации — задача, которую пока никто не смог решить.

Создать квантовую теорию гравитации оттого так трудно, что в соответствии с принципом неопределенности даже «пустое» пространство заполнено виртуальными парами частица‑античастица. В противном случае, если бы «пустое» пространство было действительно совершенно пустым, все поля — гравитационное, электромагнитное и другие — были бы в точности равны нулю. Однако величина поля и скорость ее изменения во времени связаны между собой так же, как положение частицы и ее скорость (то есть изменение положения). Из принципа неопределенности вытекает, что чем точнее мы знаем одну из этих величин, тем менее точны наши знания о другой. Если бы поле в пустом пространстве было в точности равно нулю, оно имело бы и точную (нулевую) величину и точную (опять‑таки нулевую) скорость изменения, что противоречило бы принципу неопределенности. Таким образом, должен существовать некоторый минимальный уровень неопределенности или квантовых флуктуаций величины поля.

Эти колебания можно рассматривать как пары частиц, которые вместе появляются в некоторый момент, разлетаются, а затем вновь сближаются и аннигилируют (рис. 34). Это виртуальные частицы, подобные тем, что служат переносчиками взаимодействий. В отличие от реальных частиц, их невозможно непосредственно наблюдать с помощью детекторов частиц. Однако порождаемые ими косвенные проявления, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, поддаются измерению и поразительно точно согласуются с теоретическими предсказаниями. В случае флуктуаций электромагнитного поля речь идет о виртуальных фотонах, а в случае флуктуаций гравитационного поля — о виртуальных гравитонах. Однако флуктуации полей слабого и сильного взаимодействий представляют собой виртуальные пары частиц вещества, таких как электроны или кварки. В подобных виртуальных парах один элемент будет частицей, а другой — античастицей (в случае света и гравитации частицы и античастицы одинаковы).

Рис. 34. Фейнмановская диаграмма виртуальной пары частица‑античастица.

Применительно к электрону принцип неопределенности предполагает, что в пустом пространстве виртуальные пары частица—античастица возникают, а затем аннигилируют.

Проблема в том, что виртуальные частицы обладают энергией. И поскольку существует бесконечное число пар виртуальных частиц, они фактически должны были бы иметь бесконечную энергию, а значит — в соответствии с известным уравнением Эйнштейна Е = тс2, — и бесконечную массу. Согласно общей теории относительности это привело бы к такому гравитационному искривлению пространства, что Вселенная сжалась бы до бесконечно малых размеров. Однако ничего подобного явно не происходит! Аналогичные, по‑видимому абсурдные, бесконечности возникают и в других частных теориях — сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, — но для них существует так называемая процедура перенормировки, которая позволяет избавляться от бесконечностей. Благодаря ей мы и смогли создать квантовые теории этих взаимодействий.

Перенормировка вводит новые бесконечности, которые математически сокращаются с бесконечностями, возникающими в теории. Однако это сокращение не обязательно должно быть полным. Можно выбрать новые бесконечности так, чтобы при сокращении получался небольшой остаток. Эти остатки называются перенормированными величинами.

Хотя подобная операция довольно сомнительна с точки зрения математики, она, кажется, все‑таки работает. Ее применение в теориях сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий дает предсказания, которые невероятно точно согласуются с наблюдениями. Тем не менее использование перенормировки для поисков полной физической теории имеет серьезный недостаток, поскольку означает, что массы частиц и силы взаимодействий нельзя предсказать теоретически, а следует подгонять под результаты экспериментов. Попытки применить перенормировку для устранения квантовых бесконечностей из общей теории относительности пока позволили привести к желаемому виду только две величины — силу тяготения и космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в свои уравнения, будучи уверен, что Вселенная не расширяется (см. гл. 7). Как выясняется, их корректировки недостаточно для избавления от всех бесконечностей. Поэтому квантовая теория гравитации продолжает предсказывать, что некоторые величины, например искривление пространства‑времени, бесконечны, тогда как на практике они вполне поддаются измерению и оказываются конечными! Ученые давно подозревали, что данное обстоятельство станет преградой на пути включения принципа неопределенности в общую теорию относительности, но в 1972 г . их опасения были наконец подкреплены детальными вычислениями. Четырьмя годами позже было предложено возможное решение проблемы, названное «супергравитацией». К несчастью, выяснение того, оставляет ли супергравитация место для каких‑либо бесконечностей, требовало настолько сложных и трудоемких вычислений, что никто за них не взялся. По предварительным оценкам, даже компьютеру на это потребовались бы годы, и очень высока вероятность того, что в подсчеты вкралась бы по крайней мере одна ошибка, а вероятно, и больше. Так что удостовериться в правильности результата можно было бы только в том случае, если бы кто‑то еще повторил вычисления и получил тот же самый итог, что представлялось крайне маловероятным! Несмотря на эти проблемы и на то, что частицы, фигурирующие в теориях супергравитации, похоже, никак не соотносились с известными науке частицами, большинство ученых полагало, что супергравитация поддается перенормировке и, вероятно, является решением проблемы объединения физики. Она казалась наилучшим способом объединить гравитацию с остальными взаимодействиями. Но вот, в 1984 г ., произошел знаменательный поворот в сторону семейства теорий, называемых теориями струн.