Начиная со следующей главы, мы сделаем обзор этих открытий. Теории вырастают из наблюдений и недостатков предшествующих теорий, так что вы сможете лучше понять роль современных достижений, если познакомитесь с выдающимися успехами более ранних эпох. На рис. 34 показаны связи между теориями, которые мы будем обсуждать. Мы увидим, как новые теории вырастали на уроках старых теорий, и как новые теории заполнили пробелы, обнаруженные только после того, как были завершены старые теории.
Мы начнем с двух революционных идей первых лет двадцатого века — теории относительности и квантовой механики, с помощью которых была установлена форма Вселенной и содержащихся в ней тел, а также состав и структура атома. Затем мы рассмотрим Стандартную модель физики частиц, развитую в 1960-1970-е годы для предсказания взаимодействий элементарных частиц, с которыми мы только что познакомились. Наконец, мы познакомимся с наиболее важными принципами и понятиями физики частиц: симметрией, нарушением симметрии и зависимостью физических величин от масштаба, с помощью которых мы узнаем многое о том, как самые элементарные компоненты вещества образуют наблюдаемую нами структуру.
Однако, несмотря на большие успехи, Стандартная модель физики частиц оставляет без ответа многие фундаментальные вопросы, которые настолько важны, что их решение позволит проникнуть в структуру строительных элементов нашего мира. В гл. 10 будет рассмотрен один из самых интересных и загадочных механизмов Стандартной модели: происхождение масс элементарных частиц. Мы увидим, что для объяснения массы известных частиц и слабости гравитации почти наверняка потребуется более глубокая физическая теория, чем Стандартная модель.
Подобные проблемы физики частиц исследуются в моделях с дополнительными измерениями, но при этом также используются идеи теории струн. Обсудив основы физики частиц, мы перейдем к фундаментальные понятиям и принципам теории струн. Мы не хотим выводить модели непосредственно из теории струн, но эта теория содержит ряд элементов, которые используются при разработке моделей с дополнительными измерениями.
Этот обзор охватывает много теоретических положений, так как анализ дополнительных измерений связывает между собой многие теоретические достижения на двух главных берегах физики частиц — создании моделей и теории струн. Знакомство с многими наиболее интересными современными достижениями в этих областях поможет вам лучше понять мотивацию и методы, лежащие в основе развития моделей с дополнительными измерениями.
Однако, если вы хотите быстрее продвинуться вперед, я заканчиваю каждую из обзорных глав маркированным списком важнейших понятий, на которые мы будем ссылаться далее, когда вернемся к созданию моделей с дополнительными измерениями. Маркеры будут служить коротким путем, резюме, если вы захотите пропустить главу или захотите сфокусировать внимание на материале, к которому мы обратимся далее. Иногда я буду ссылаться и на вопросы, не отмеченные маркером, но эти маркеры будут давать обзор ключевых идей, существенных для главных результатов в оставшейся части книги.
В гл. 17 мы приступаем к исследованию миров с дополнительными измерениями — теориям, в которых предполагается, что материя, из которой состоит наша Вселенная, сосредоточена на бране. Идеи мира на бране позволяют глубже проникнуть в общую теорию относительности, физику частиц и теорию струн. В разных мирах на бране, которые я опишу, делаются разные предположения и объясняются разные явления. Я суммирую конкретные свойства каждой модели и отмечаю их маркером в конце этих глав. Мы до сих пор не знаем, какая из этих идей правильно описывает природу. Однако вполне возможно, что мы в конце концов обнаружим, что браны являются частью космоса, а мы, наряду с другими параллельными вселенными, прикованы к ним.
Одна вещь, которую я поняла, проводя эти исследования, — Вселенная часто обладает большим воображением, чем мы. Иногда свойства Вселенной оказываются настолько неожиданными, что мы только по случайности натыкаемся на них. Открытие таких сюрпризов может быть ошеломляющим. Оказывается, что известные нам физические законы имеют потрясающие следствия.
Приступим теперь к изучению того, что собой представляют эти законы.
II Достижения начала двадцатого века
Глава 5
Относительность: эволюция теории тяготения Эйнштейна
The laws of gravity are very, very strick.
And you’re just bending them for your own benefit.
Billy Bragg[31]
Икар Рашмор III с нетерпением ждал, когда он сможет показать Дитеру свой новый порше. Но как бы он ни гордился новой машиной, еще больше его волновала GPS (Глобальная система позиционирования), которую он недавно самостоятельно разработал и установил.
Икар хотел поразить Дитера, поэтому он убедил своего друга поехать с ним за город. Они сели в машину, Икар запрограммировал конечный пункт маршрута, и друзья отправились в путь. Но, к огорчению Икара, они завершили свое путешествие в неправильном месте — система GPS сработала совсем не так хорошо, как он ожидал. Дитер сразу же предположил, что Икар, должно быть, сделал какую-то нелепую ошибку, например, перепутал метры с футами. Однако Икар не верил, что он мог совершить такую глупость, и поспорил с Дитером, что проблема не в этом.
На следующий день Икар и Дитер устранили некоторые неисправности. Но, к их разочарованию, когда они отправились в путь, GPS работала еще хуже, чем раньше. Икар и Дитер снова принялись искать неполадки, и, наконец, через неделю разочарований на Дитера снизошло озарение, он сделал быстрый расчет и обнаружил поразительную вещь, что без учета общей теории относительности GPS Икара будет накапливать ошибки со скоростью более 10 км в день. Икару казалось, что его порше не настолько быстр, чтобы требовались релятивистские вычисления, но Дитер объяснил ему, что не автомобиль, а сигналы CPS движутся со скоростью светя. Дитер изменил программу так, чтобы учесть изменение гравитационного поля, сквозь которое движутся сигналы GPS. После этого система Икара стала работать не хуже уже имеющихся в продаже коммерческих моделей. Удовлетворенные И кар и Дитер начали планировать новое автомобильное путешествие.
В начале прошлого века английский физик лорд Кельвин сказал: «В физике уже невозможно открыть что либо новое. Все, что осталось, — это все более и более точные измерения».[32] Лорд Кельвин здорово ошибся: очень скоро после того, как он произнес эти слова, в физике началась революция, связанная с теорией относительности и квантовой механикой, и расцвели различные области физики, над которыми люди работают до сих пор. Однако более глубокое утверждение лорда Кельвина о том, что «научное богатство растет согласно закону сложных процентов»[33], безусловно, правильно, и особенно подходит к этим революционным достижениям.
В этой главе рассматривается учение о гравитации и ее развитии от впечатляющего открытия законов Ньютона до революционных достижений теории относительности Эйнштейна. Законы движения Ньютона являются законами классической физики, и в течение столетий они использовались учеными для расчета механического движения, в том числе движения, обусловленного тяготением. Законы Ньютона великолепны, они позволяют нам предсказывать движение с очень большой точностью, достаточной для того, чтобы посылать людей на Луну и выводить спутники на орбиты, для того, чтобы удерживать на рельсах при поворотах сверхскоростные поезда в Европе, для того, чтобы побудить к поиску восьмой планеты, Нептуна, руководствуясь особенностями орбиты Урана. Но, увы, эти законы недостаточны для точной работы GPS.
Невероятно, но используемая сейчас GPS для достижения точности 1 м требует использования общей теории относительности Эйнштейна. Определение изменений глубины снежного покрова на Марсе с помощью лазерного дальномера, установленного на вращающемся по орбите космическом корабле, также требует использования этой теории и позволяет производить измерения с неправдоподобной точностью 10 см. Конечно, когда общая теория относительности была предложена, никто, даже Эйнштейн, не предполагал таких практических приложений столь абстрактной теории.
В этой главе будет рассматриваться теория тяготения Эйнштейна — необычайно точная теория, применимая к широкому кругу систем. Мы начнем с краткого обзора теории тяготения Ньютона, которая хорошо работает при энергиях и скоростях, характерных в повседневной жизни. Затем мы совершим пассаж к тем экстремальным пределам, при которых теория Ньютона терпит неудачу, а именно, к пределу очень большой скорости (близкой к скорости света) и очень большой массы или энергии. В этих предельных случаях ньютоновская теория тяготения заменяется общей теорией относительности Эйнштейна. В рамках этой теории пространство (и пространство-время) эволюционирует от статической стадии к динамической сущности, способной искривляться, двигаться и жить собственной богатой жизнью. Мы рассмотрим эту теорию, те идеи, которые привели к ее созданию, и некоторые экспериментальные тесты, убеждающие физиков в ее справедливости.
