Готовый перевод STEPHEN HAWKING "The Grand Design" (2010) / Стивен ХОКИНГ "Великий замысел": 5. THE THEORY OF EVERYTHING / 5. ТЕОРИЯ ВСЕГО

5. ТЕОРИЯ ВСЕГО

Самое непостижимое во Вселенной то, что она постижима.

Альберт Эйнштейн

ВСЕЛЕННАЯ ПОСТИЖИМА, потому что ею управляют научные законы; то есть ее поведение можно смоделировать.

Но что это за законы или модели?

Первая сила, описанная математическим языком, была силой тяжести.

Закон всемирного тяготения Ньютона, опубликованный им в 1687 году, гласит что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой пропорциональной его массе.

Он произвел значительное впечатление на интеллектуалов того времени, потому что в первый раз было показано, что минимум один аспект вселенной мог быть точно смоделирован, что привело к созданию математического аппарата, чтобы просчитывать это.

Идея, что существуют законы природы, была похожа на ту, за что Галилея обвинили в ереси за 50 лет до этого.

Например, в Библии говорится, что Иисус Навин молился, чтобы солнце и луна остановились, чтобы у него был лишний световой день для завершения сражения Аморреев в Ханаане.

Как пишется в библии, солнце продолжало светить целые сутки.

Теперь мы знаем, что это означало бы, что земля прекратила вращаться.

Если Земля остановится, в соответствие с законами Ньютона все незакрепленные объекты на ней будут продолжать двигаться по инерции со скоростью вращения Земли (1700 км/час на экваторе) — высокая цена за продолжение солнечного дня.

Однако самого Ньютона это не волновало, поскольку, как мы уже отмечали, Ньютон верил в то, что Бог мог вмешиваться и вмешивался в функционирование вселенной.

Следующим аспектом вселенной, для которого были открыты законы или модели, являются электрические и магнитные силы.

Их поведение подобно гравитации, с важным отличием, что два электрических заряда или два магнита одного типа отталкивают друг друга, а разного типа - притягивают.

Электрические и магнитные силы более сильные чем силы гравитации, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, потому что макроскопические тела содержат почти равное количество положительных и отрицательных зарядов.

Это означает, что электрические и магнитные силы между двумя макроскопическими телами почти уравновешивают друг друга, в оличие от сил гравитации, которые складываются.

Наше нынешнее понятие об электричестве и магнетизме были сформированы за период около ста лет, с середины 18 и до середины 19 веков, когда физики из нескольких стран, проводя тщательные эксперименты, изучали электрические и магнитные силы.

Одним из важнейщих открытий является то, что электрические и магнитные силы взаимосвязаны.

Движение электрического заряда влияет на магнит, и движение магнита воздействует на электрические заряды.

Первым, кто понял, что существует некоторая взаимосвязь, был датский физик Ганс Христиан Эрстед.

Проводя лекцию в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток из батареи, которую он использовал, влияет на стрелку рядом находящегося компаса.

Он вскоре осознал, что электрический ток создал магнитную силу, и ввел новый термин "электромагнетизм".

Несколько лет спустя, британский физик Майкл Фарадей обосновал, что - выражаясь современными терминами - если магнитное поле возникает из электрического тока, то и магнитное поле должно производить электрический ток.

Он продемонстрировал этот эффект в 1831 году.

Четырнадцатью годами спустя, Фарадей также открыл взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, когда демонстрировал, что сильное магнитное поле может воздействовать на свойства поляризованного света.

Фарадей официально был малообразованным.

Он родился в семье кузнеца в пригороде Лондона и оставил школу в возрасте 13 лет, чтобы работать рассыльным и переплетчиком в книжном магазине.

Там, спустя годы, он изучил науки, читая книги, с которыми он имел дело, и, проводя простые и недорогие эксперименты в свое свободное время.

В конце концов он устроился работать ассистентом в лабораторию великого химика Сэра Хемфри Деви.

Фарадей будет продолжать работать там все свои оставшиеся 45 лет, и после смерти Деви, сменит его.

Фарадей имел проблемы с математикой и никогда ее хорошо не изучал, поэтому ему было сложно постигать теоретическую картину сложного электромагнитного феномена, который он наблюдал в своей лаборатории.

Тем не менее, он справился.

Одним из величайших его открытий была идея о силовых полях.

В наши дни, благодаря книгам и кинофильмам о пучеглазых пришельцах и их космических кораблях, большинство людей знакомо с эти понятием, поэтому ему следовало бы получить гонорар.

Но в век Ньютона и Фарадея одной из величайших тайн физики было то, что, согласно её законам, эти силы действуют через пустое пространство, которое разделяет взаимодействующие объекты.

Фарадею не нравилось это.

Он считал, что чтобы переместить объект, нечто должно войти с ним в контакт.

И поэтому он представлял, что пространство между электрическими зарядами и магнитами заполнено невидимыми трубками, которые физически притягивают и отталкивают.

Фарадей назвал эти трубки силовым полем.

Чтобы наглядно продемонстрировать силовое поле, нужно выполнить школьный опыт, в котором стеклянная тарелка помещена над бруском магнита, и железные опилки распределяются по стеклу.

При небольших постукиваниях для преодоления трения опилки перемещаются так, будто их подталкивает невидимая сила, и образуют узор из растянутых дуг от одного полюса магнита к другому.

Этот опыт наглядно демонстрирует невидимые магнитные силы, пронизывающие пространство.

Сегодня мы считаем, что все силы распространяются через поля. Это важная концепция в современной физике – так же, как и в научной фантастике.

Несколько десятилетий понимание электромагнетизма не изменялось, оставаясь на уровне знания нескольких эмпирических законов:

некоторое подозрение, что электричество и магнетизм близки, если не мистически, связаны; идея, что они имеют какое-то отношение к свету; и зарождающаяся концепция поля.

Существовали как минимум одиннадцать теорий электромагнетизма, но каждая из них давала трещину.

Но в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвел облек идеи фарадея в математическую оболочку, что позволило объяснить близкую и мистическую связь межу электричеством, магнетизмом и светом.

Результатом был набор уравнений, описывающих и электрические, и магнитные силы, как проявление общей физической сущности - электромагнитного поля.

Максвел объединил электричество и магнетизм в одну силу.

Более того он показал, что электромагнитное поле может распространяться через пространство как волна.

Скорость этой волны отражается числом, появившимся в его уравнениях, которое он рассчитал на основе экспериментальных данных, полученных несколькими годами ранее.

К его удивлению, рассчитанная им скорость оказалась эквивалентной скорости света, которая была тогда известна на основе экспериментов с точностью до одного процента.

Он обнаружил, что свет сам по себе является электромагнитной волной!

Сегодня уравнения, описывающие электрические и магнитные поля, называются уравнениями Максвела.

Немногие люди слышали о них, но они, вероятно, являются самыми важными в промышленных масштабах из известных нам уравнений.

Они не только управляют работой любой вещи от бытовой техники до компьютеров, но и описывают волны, отличные от световых: микроволны, радиоволны, инфракрасный свет и рентгеновские лучи.

Все они отличаются от видимого света только одним - длиной волны.

Радиоволны имеют длину волны порядка метра или более, тогда как длина волны видимого света - несколько десятимиллионных долей метра, а длина волны рентгеновских лучей короче нескольких стамиллионных долей метра.

Наше солнце излучает во всех длинах волн, но его излучение наиболее интенсивно в видимом диапазоне длин волн.

Это не случайно, что длины волн, которые мы способны видеть невооруженным глазом, совпадают с теми длинами, которые Солнце излучает особенно сильно.

Вероятно, что наши глаза имеют способность замечать электромагнитное излучение строго в этом диапазоне, потому что этот диапазон излучения наиболее пригодный для них.

Если мы когда-либо столкнемся с существами с других планет, они, вероятно, будут иметь способность "видеть" излучение в каком-то диапазоне длин волн, которое их солнце излучает наиболее сильно, развившуюся благодаря таким факторам, как светозапорные характеристики пыли и газов в атмосфере их планеты.

Таким образом, пришельцы, которые эволюционировали при рентгеновском излучении, могли бы сделать хорошую карьеру в службе безопасности аэропорта.

Уравнения Максвела предписывают, что электромагнитные волны распространяются со скоростью около 300000 километров в секунду или около 1078 миллионов километров в час.

Но указанная скорость ничего не значит, пока вы не определите систему отсчёта, относительно которой измеряется скорость.

Это не то, о чем вы обычно должны думать в повседневной жизни.

Когда знак ограничения скорости гласит 90 километров в час, подразумевается, что ваша скорость измерена относительно дороги, а не черной дыры в центре Млечного пути.

Но даже в повседневной жизни есть случаи, в которых вы должны принять во внимание систему координат.

Например, если вы несете чашку чая по проходу реактивного самолета в полете, вы могли бы сказать, что ваша скорость составляет 3 километра в час.

Кто-то на земле, однако, мог бы сказать, что вы двигаетесь со скоростью в 923 километра в час.

Кого бы из этих двоих вы не считали более правым, имейте ввиду, что поскольку Земля вращается вокруг Солнца, кто-то, наблюдая за вами с поверхности этого небесного тела, не согласился бы с обоими и сказал бы, что вы двигаетесь со скоростью около 29 километров в секунду, не говоря уже о зависти к вашему комфорту.

В свете таких разногласий, когда Максвелл утверждал, что обнаружил "скорость света", вытекающую из его уравнений, естественный вопрос был относительно чего измерялась скорость света в уравнениях Максвелла?

Нет никакой причины полагать, что параметр скорости в уравнениях Максвелла - это скорость, измеренная относительно Земли.

Его уравнения, в конце концов, относятся ко всей Вселенной.

Альтернативным ответом, который рассматривался до некоторых пор, было мнение, что его уравнения определяют скорость света относительно ранее не обнаруженной среды, пронизывающей всё пространство, называемой светоносным эфиром или для краткости просто эфиром, который был обозначением Аристотеля для субстанции, заполняющей, по его мнению, всю Вселенную за пределами земной сферы.

Этот гипотетический эфир был бы средой, через которую распространяются электромагнитные волны, как звук распространяется через воздух.

Если бы эфир существовал, был бы абсолютный критерий покоя (то есть, покоя относительно эфира) и, следовательно, абсолютный способ определить движение.

Эфир обеспечил бы по всей Вселенной привилегированную систему отсчета, относительно которой могла быть измерена скорость любого объекта.

Таким образом, эфир, как постулировалось, существовал только теоретически, побуждая некоторых ученых на поиски способа изучить его, или по крайней мере подтвердить его существование.

Одним из этих ученых был сам Максвелл.

Если вы мчитесь по воздуху навстречу звуковой волне, то она настигает вас быстрее, а если Вы мчитесь от нее, то волна будет догонять вас чуть дольше.

Точно так же, если бы эфир существовал, то скорость света изменялась бы в зависимости от вашего движения относительно эфира.

Фактически, если свет действовал бы подобно звуку, как люди на сверхзвуковом самолете никогда не будут слышать звука, который издаётся позади самолета, так же и путешественники, мчащиеся достаточно быстро через эфир, были бы в состоянии опередить световую волну.

Рассуждая таким образом Максвелл предложил эксперимент.

Если существует эфир, Земля должна перемещаться сквозь него, поскольку она вращается вокруг Солнца.

И так как Земля движется в другом направлении в январе чем, скажем, в апреле или июле, можно было бы заметить небольшое различие в скорости света в разные времена года (см. рисунок ниже).

От публикации этой идеи в «Трудах Королевского Общества» Максвелла отговаривал его редактор, который не считал, что эксперимент сработает.

Но в 1879, незадолго до того, как он умер в сорок восемь лет от рака желудка, Максвелл послал письмо об этом своему другу.

Письмо было издано посмертно в журнале Nature, где его прочитал, среди прочих, американский физик по имени Альберт Майкельсон.

Вдохновленные предположением Максвелла, в 1887 году Майкельсон и Эдвард Морли выполнили очень чувствительный эксперимент, задуманный, чтобы измерить скорость, с которой Земля движется сквозь эфир.

Их идея состояла в том, чтобы сравнить скорость света в двух различных направлениях, под прямым углом.

Если бы скорость света была постоянным числом относительно эфира, измерения должны были обнаружить скорости света, которые отличались бы в зависимости от направления луча.

Но Майкельсон и Морли не заметили такого различия.

Результат эксперимента Майкельсона и Морли очевидно противоречил модели электромагнитных волн, распространяющихся через эфир, и привел к необходимости отказаться от модели эфира.

Но цель Майкельсона состояла в том, чтобы измерить скорость Земли относительно эфира, а не доказать или опровергнуть гипотезу существования эфира, и то, что он открыл, не подтолкнуло его прийти к заключению, что эфира не существует.

Никто больше также не пришел к такому выводу.

Известный физик сэр Уильям Томсон (Лорд Келвин) сказал в 1884 году, что эфир был "единственной субстанцией, в которой мы уверены в динамике.

Единственное, в чем мы уверены, так это в истинности и реальности светоносного эфира".

Как можно верить в эфир несмотря на результаты эксперимента Майкельсона-Морли?

Как мы уже говорили, люди часто пытаются спасти изобретенную модель специальными дополнениями.

Некоторые постулировали, что Земля увлекала эфир за собой, так что мы фактически не двигались относительно него.

Голландский физик Хендрик Антун Лоренц и ирландский физик Джордж Фрэнсис Фицджеральд предположили, что в структуре, которая перемещалась относительно эфира, вероятно из-за некоторого все же неизвестного механического эффекта, ход времени замедляется, и расстояния сокращаются таким образом, что измерение скорости света дает то же самое значение.

Такие усилия спасти понятие эфира продолжались в течение почти двадцати лет до замечательной статьи молодого и неизвестного клерка из патентного бюро в Берне, Альберта Эйнштейна.

Эйнштейну было двадцать шесть лет в 1905, когда он опубликовал свою работу "Zur Elektrodynamik bewegter Korper" ("К электродинамике движущихся тел").

В ней он сделал простое предположение, что законы физики и в особенности скорость света, должны быть одинаковыми для всех равномерно движущихся наблюдателей.

Эта идея совершила революцию в нашем понятии о пространстве и времени.

Чтобы понять почему, вообразите два события, которые имеют место в той же самой точке, но в разное время в реактивном самолете.

Для наблюдателя на самолете расстояние между этими двумя событиями будет нулевым.

Но для второго наблюдателя на земле события будут отделены расстоянием, которое самолет пролетел за время между событиями.

Это показывает, что два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, не смогут прийти к соглашению о пройденном расстоянии между двумя событиями.

Теперь предположите, что эти два наблюдателя наблюдают луч света, направляющегося от хвоста самолета к его носу.

Так же, как в вышеупомянутом примере, они не смогут договариваться о расстоянии, которое прошел свет от хвоста самолета к его носу.

Так как скорость - это расстояние, пройденное за определенное время, это значит, что если они придут к соглашению о скорости, с которой распространяется луч - скорости света - это значит, что они не придут к соглашению об интервале времени между началом распространения луча вдоль самолета и его окончанием.

В чем странность этого явления - в том, что, хотя эти два наблюдателя измерили различные интервалы времени, они наблюдали тот же самый физический процесс.

Эйнштейн не пытался искусственным образом объяснить это.

Он вывел поразительное заключение, что измерение затраченного времени на преодоление расстояния, зависит от наблюдателя, проводящего измерение.

Этот эффект является одним из ключевых в теории, описанной в статье Эйнштейна в 1905 году, которая получила название специальной теории относительности.

Мы можем видеть, как это исследование может применяться к устройствам хронометрирования, если мы рассматриваем двух наблюдателей, смотрящих на часы.

Специальная теория относительности считает, что часы идут быстрее с точки зрения наблюдателя, который находится в покое относительно часов.

Для наблюдателей, которые не находятся в состоянии покоя относительно часов, часы идут медленнее.

Если мы уподобим световой импульс, идущий от хвоста до носа самолета, тиканью часов, мы увидим, что для наблюдателя на земле часы идут медленнее, потому что в той системе координат луч света должен переместиться на большее расстояние.

Но результат не зависит от механизма часов; он справедлив для всех часов, даже наших собственных биологических.

Работа Эйнштейна показала, что, как и понятие покоя, время не может быть абсолютным, как полагал Ньютон.

Другими словами, невозможно определить для каждого события время, с которым согласится любой наблюдатель.

Вместо этого у всех наблюдателей есть свои собственные меры времени, и время, измеренное двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга, не будет совпадать.

Идеи Эйнштейна вступают в противоречие с нашей интуицией, потому что их последствия не заметны на скоростях, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни.

Но они неоднократно подтверждались экспериментально.

Например, представьте себе эталонные часы в состоянии покоя в центре Земли, другие часы на поверхности Земли, а третьи на борту самолета, летящего либо по направлению, либо против направления вращения Земли.

По отношению к часам в центре Земли часы на борту самолета, движущегося в восточном направлении — в направлении вращения Земли -- перемещаются быстрее, чем часы на поверхности Земли, и поэтому они должны идти медленнее.

Точно так же в отношении часов в центре Земли, часы на борту самолета, летящего на запад — против вращения Земли -- перемещаются медленнее, чем часы на поверхности, что означает, что эти часы должны идти быстрее, чем часы на поверхности.

И это в точности наблюдалось, когда в эксперименте, проделанном в октябре 1971, очень точные атомные часы облетели вокруг света.

Таким образом, вы могли бы растянуть свою жизнь, постоянно летя в восточном направлении вокруг света, хотя вы, наверное, утомились бы от просмотра всех тех самолётных кинофильмов.

Однако эффект очень мал, приблизительно 180 миллиардных долей секунды за оборот (и он также несколько уменьшается из-за влияния разницы в силе тяжести, но нам здесь не нужно в это вникать).

Благодаря работе Эйнштейна физики поняли, что из-за требования, чтобы скорость света была одной и той же во всех системах координат, теории электричества и магнетизма Максвелла определяют, что время нельзя рассматривать отдельно от трех пространственных измерений.

Наоборот, время и место взаимосвязаны.

Это нечто вроде добавления четвертого направления будущее/прошлое к обычным влево/вправо, назад/вперед, и вверх/вниз.

Физики называют это сочетание пространства и времени "пространство-временем", и поскольку пространство-время включает четвертое направление, они называют его четвертым измерением.

В пространстве-времени время больше не отделено от трех пространственных измерений, и, грубо говоря, как определение влево/вправо, вперед/назад или вверх/вниз зависит от ориентации наблюдателя, так же направление времени меняется в зависимости от скорости наблюдателя.

Наблюдатели, движущиеся на различных скоростях, выбрали бы различные направления для времени в пространстве-времени.

Специальная теория относительности Эйнштейна поэтому была новой моделью, которая избавилась от понятий абсолютного времени и абсолютного покоя (то есть, покоя относительно неподвижного эфира).

Эйнштейн скоро понял, что для того, чтобы согласовать гравитацию с относительностью, необходимо было ещё одно преобразование.

Согласно теории тяготения Ньютона, в любой момент времени объекты притягиваютя друг к другу силой, зависящей от расстояния между ними в этот момент.

Но теория относительности упразднила понятие абсолютного времени, поэтому не было никакого способа определить, когда должно быть измерено расстояние между массами.

Таким образом, теория тяготения Ньютона оказалась не совместима со специальной теорией относительности и должна была быть изменена.

Противоречие могло походить на простую техническую трудность, возможно, даже детали этого так или иначе могли быть решены обходным путем без большого изменения в теории.

Как оказалось, ничего подобного.

За последующие одиннадцать лет Эйнштейн разработал новую теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности.

Понятие силы тяжести в общей теории относительности совсем не похоже на ньютоновское.

Вместо этого оно базировалось на революционном предложении, что пространство-время не равномерно, как было принято ранее, а изогнуто и искривлено массой и энергией в нем.

Хороший способ изобразить кривизну -- представить себе поверхность Земли.

Хотя поверхность Земли всего лишь двумерна (потому что на ней есть только два направления, например, север/юг и восток/запад), мы собираемся использовать ее в качестве нашего примера, потому что искривленное двумерное пространство легче себе представить, чем искривленное четырехмерное пространство.

Геометрия искривленных пространств, таких как поверхность Земли, не представляет собой знакомую нам Евклидову геометрию.

Например, на поверхности Земли кратчайшее расстояние между двумя точками — которое, как мы знаем, в Евклидовой геометрии является прямой -- это путь, соединяющий две точки вдоль так называемой большой окружности.

(Большая окружность - это окружность на поверхности Земли, центр которой совпадает с центром Земли.

Экватор -- это пример большой окружности, и вообще, любая окружность, полученная вращением экватора по различным диаметрам).

Представьте, скажем, что вы захотели перелететь из Нью-Йорка в Мадрид, это два города, находящиеся почти на одной и той же широте.

Если бы Земля была плоской, то самый короткий маршрут должен был держать курс прямо на восток.

Если бы Вы так сделали, то прибыли бы в Мадрид, пропутешествовав 3 707 миль.

Но из-за искривления Земли есть путь, который на плоской карте выглядит кривым и, следовательно, более длинным, но который в действительности короче.

Вы можете добраться туда, преодолев 3 605 миль, если проследуете по маршруту большого круга, который должен сначала взять курс на северо-восток, затем постепенно повернуть на восток, а затем на юго-восток.

Различие в расстоянии между этими двумя маршрутами возникает из-за искривления Земли и свидетельства ее неевклидовой геометрии.

Авиалинии знают это и принимают меры, чтобы их пилоты следовали маршрутами большого круга практически всегда.

Согласно законам механики Ньютона, объекты, такие как пушечные ядра, круассаны и планеты, перемещаются по прямым линиям, если на них не действуют силы, такие как сила тяжести.

Но гравитация в теории Эйнштейна не является силой, подобно другим; скорее она представляет собой следствие того факта, что масса искажает пространство-время, создавая искривление.

В теории Эйнштейна объекты движутся по геодезическим линиям, что ближе всего к прямым в искривленном пространстве.

Линии являются геодезическими на плоской поверхности, а большие окружности являются геодезическими на поверхности Земли.

В отсутствие вещества, геодезические линии в четырехмерном пространстве-времени соответствуют линиям в трехмерном пространстве.

Но когда вещество присутствует, искажая пространство-время, пути тел в соответствующем трехмерном пространстве искривляются в смысле, который в ньютоновой теории объяснялся силой притяжения.

Когда пространство-время искривлено, пути объектов изгибаются, будто какая-то сила воздействует на них.

Из общей теории относительности Эйнштейна выделяют специальную теорию относительности, для случаев с нулевой гравитацией, которая выдаёт почти такие же предсказания, как и теория тяготения Ньютона для среды в нашей Солнечной системе со слабым тяготением — но не совсем.

Фактически, если бы общая относительность не принималась во внимание спутниковой навигационной системой GPS, ошибок глобального позиционирования накапливалось бы около десяти километров каждый день!

Так или иначе, подлинное значение общей относительности не в применении её в устройствах, которые укажут вам путь до нового ресторана, но скорее в том, что это совершенно новая модель Вселенной, предсказывающая новые явления, такие как гравитационные волны и чёрные дыры.

И таким образом общая относительность превратила физику в геометрию.

Современные технологии достаточно точны, чтобы позволить нам выполнять множество чувствительных проверок общей теории относительности, и она выдерживает их все без исключения.

Хотя теория электромагнетизма Максвелла и теория гравитации (общая теория относительности) Эйнштейна радикально изменили физику, обе они, подобно признанной физике Ньютона, являются классическими теориями.

То есть, они являются моделями, в которых Вселенная имеет единственную историю.

Как мы видели в последней главе, на атомных и субатомных уровнях эти модели не согласуются с наблюдениями.

Вместо этого мы должны использовать квантовые теории, в которых у Вселенной может быть любая возможная история, каждая со своей собственной амплитудой интенсивности или вероятности.

Для практических вычислений, касающихся будничного мира, мы можем продолжать использовать классические теории, но если мы хотим понять поведение атомов и молекул, мы нуждаемся в квантовой версии теории электромагнетизма Максвелла; и если мы хотим понять раннюю Вселенную, когда вся материя и энергия во Вселенной были сжаты в маленьком объеме, у нас должна быть квантовая версия общей теории относительности.

Мы нуждаемся в таких теориях также потому, что, если мы стремимся к пониманию принципов природы, было бы нелогично, если бы некоторые из законов были квантовыми, в то время как другие -- классическими.

Поэтому мы должны найти квантовые версии всех законов природы.

Такие теории называют теориями квантового поля.

Известные силы природы могут быть разделены на четыре класса:

1. Гравитация.

Это самая слабая из четырех сил, но она -- сила дальнего действия и воздействует на все во Вселенной в виде притяжения.

Это означает, что для больших тел все гравитационные силы складываются и могут доминировать над всеми другими силами.

2. Электромагнетизм.

Это также сила дальнего действия и намного более сильная, чем гравитация, но она действует только на электрически заряженные частицы, отталкивая заряды одинаковых знаков и притягивая заряды противоположных знаков.

Это означает, что электрические силы в больших телах уравновешивают друг друга, но в масштабах атомов и молекул они преобладают.

Электромагнитные силы ответственны за всю химию и биологию.

3. Слабое ядерное взаимодействие.

Это сила является причиной радиоактивности и играет жизненно важную роль в формировании элементов в звездах и ранней Вселенной.

Мы, однако, не сталкиваемся с этой силой в нашей повседневной жизни.

4. Сильное ядерное взаимодействие.

Эта сила удерживает вместе протоны и нейтроны в ядре атома.

Она также удерживает от распада сами протоны и нейтроны, что необходимо, потому что они состоят из еще более крошечных частиц, кварков, которые мы упоминали в Главе 3.

Сильное взаимодействие -- источник солнечной и ядерной энергии, но, как и со слабым взаимодействием, мы с ним напрямую не контактируем.

Первой силой, для которой была создана квантовая версия, была электромагнитная сила.

Квантовая теория электромагнитного поля, названная квантовой электродинамикой или для краткости КЭД, была разработана в 1940-ых Ричардом Фейнманом и другими, и стала моделью для всех квантовых теорий поля.

Как мы сказали, согласно классическим теориям, силы передаются с помощью полей.

Но в квантовых теориях поля силовые поля представляются в виде сущностей, состоящих из различных элементарных частиц, называемых бозонами, которые являются переносчиками силы, летая туда-сюда между частицами материи и передавая силы.

Частицы материи называют фермионами.

Электроны и кварки -- примеры фермионов.

Фотон, или частица света -- пример бозона.

Это бозон, передающий электромагнитную силу.

Происходит так, что частица материи, такая как электрон, испускает бозон, или частицу силы, и отскакивает от нее, почти так же, как орудие откатывается после выстрела пушечным ядром.

Частица силы затем сталкивается с другой частицей материи и поглощается ей, меняя движение этой частицы.

Согласно КЭД, все взаимодействия между заряженными частицами -- частицами, чувствительными к электромагнитной силе -- описываются в терминах обмена фотонами.

Предсказания КЭД были проверены и
объявлены соответствующими экспериментальным результатам с большой точностью.

Но выполнение математических расчетов, требуемых КЭД, может быть затруднительным.

Проблема, как будет видно ниже, в том, что когда вы добавляете к вышеупомянутому механизму обмена частицами квантовое требование, чтобы каждая включала все истории, в результате которых может произойти взаимодействие — например, все способы, которыми частицы могут обмениваться силами — математика становится сложной.

К счастью, наряду с изобретением понятия альтернативных историй — способа представить себе квантовые теории, описанные в последней главе -- Фейнман также разработал искусный графический метод составления различных историй, метод, который сегодня применяется не только к КЭД, но и ко всем квантовым теориям поля.

Графический метод Фейнмана обеспечивает способ наглядно представить каждый компонент в сумме по историям.

Эти рисунки, названные диаграммами Фейнмана, являются одними из самых важных инструментов современной физики.

В КЭД сумма по всем возможным историям может быть представлена в виде суммы по диаграммам Фейнмана, подобно изображенным ниже, представляющим некоторые из способов, которыми два электрона могут разлететься друг от друга в результате действия электромагнитной силы.

В этих диаграммах сплошные линии представляют электроны, а волнистые -- фотоны.

Время подразумевается текущим снизу вверх и проставлено на соединениях линий, соответствущих фотонам, испускаемым или поглощаемым электроном.

Диаграмма (A) представляет два электрона, приближающиеся друг к другу, обменивающиеся фотоном, и затем продолжающие свой путь.

Это самый простой способ, которым два электрона могут электромагнитно взаимодействоваать, но мы должны рассмотреть все возможные истории.

Следовательно мы должны также учитывать диаграммы, подобные (B).

Эта диаграмма также изображает две входящие линии — сближающиеся электроны — и две исходящие линии — разлетающиеся электроны — но в этой диаграмме электроны обмениваются двумя фотонами, прежде чем разлететься.

Изображенные диаграммы -- лишь некоторые из вариантов; фактически существует бесконечное число диаграмм, которые должны быть вычислены математически.

Диаграммы Фейнмана не только изящный способ изобразить и классифицировать то, как могут происходить взаимодействия.

Диаграммам Фейнмана сопутствуют правила, которые позволяют выводить математические выражения, на основе линий и вершин на каждой диаграмме.

Вероятность, скажем, что входящие электроны с некоторым заданным начальным импульсом окажутся разлетевшимися с некоторым определенным конечным импульсом, при этом получена суммированием вкладов от каждой диаграммы Фейнмана.

Это может потребовать немалого труда, поскольку, как мы сказали, их существует бесконечное число.

Кроме того, хотя входящим и исходящим электронам присваивают определенную энергию и импульс, частицы в замкнутых контурах внутри диаграммы могут иметь любую энергию и импульс.

Это важно, потому что при составлении суммы Фейнмана нужно суммировать не только по всем диаграммам, но также и по всем значениям энергии и импульса.

Диаграммы Фейнмана предоставляют физикам огромную помощь в визуализации и вычислении вероятностей процессов, описываемых КЭД.

Но они не избавляют от одного важного недуга, допущенного теорией:

Когда вы плюсуете вклады от бесконечного числа различных историй, вы получаете бесконечный результат.

(Если последующие члены в бесконечной сумме уменьшаются достаточно быстро, сумма может быть конечной, но этого, к сожалению, здесь не происходит).

В частности, когда диаграммы Фейнмана суммированы, ответ, кажется, предполагает, что у электрона бесконечная масса и заряд.

Это абсурд, потому что мы можем измерить массу и заряд, и они конечны.

Чтобы справиться с этими бесконечностями была разработана процедура, названная перенормировкой.

Процесс перенормировки подразумевает вычитание количества, оцениваемого как бесконечное и отрицательное, таким способом, что при тщательном математическом расчете сумма отрицательных и положительных бесконечных величин, возникающих в теории, сводится почти на нет, оставляя маленький остаток, конечное наблюдаемое значение массы и заряда.

Эти манипуляции могли бы походить на такого рода вещи, из-за которых Вы бы провалились на школьном математическом экзамене, и действительно, перенормировка, как и ее звучание, сомнительна в математическом плане.

Один из результатов является то, что значения, полученные этим методом для массы и заряда электрона, могут быть любым конечным числом.

Преимущество этого в том, что физики могут выбрать отрицательные бесконечности таким образом, чтобы получить правильный ответ, но при этом неудобство состоит в том, что масса и заряд электрона не могут быть предсказаны на основании этой теории.

Но как только мы установили массу и заряд электрона этим методом, мы можем использовать КЭД, чтобы сделать множество других очень точных предсказаний, которые весма точно согласуются с наблюдением, таким образом перенормировка -- один из существенных компонентов КЭД.

Первым триумфом КЭД, например, было правильное предсказание так называемого лэмбовского сдвига, небольшого изменения энергии одного из состояний атома водорода, обнаруженного в 1947 году.

Успех перенормировки в КЭД поощряет попытки создать квантовые теории поля, описывающие другие три силы природы.

Но деление сил природы на четыре класса, вероятно, искусственно и является следствием нашего недостаточного понимания.

Поэтому люди пытаются разработать теорию всего, что объединит эти четыре класса в один закон, совместимый с квантовой теорией.

Это было бы священным Граалем физики.

Указание на то, что объединение сил - это верный подход, получено в теории слабого взаимодействия.

Квантовая теория поля, описывающая слабое взаимодействие как самостоятельную силу, не может быть перенормирована; то есть в ней есть бесконечности, которые не могут быть сокращены вычитанием конечного ряда величин, таких как масса и заряд.

Однако в 1967 году Абдус Салам и Стивен Вейнберг, независимо друг от друга, предложили теорию, в которой электромагнетизм был объединен со слабой силой, и обнаружили, что объединение устраняло проклятие бесконечностей.

Объединенную силу называют электрослабым взаимодействием.

Эта теория могла быть перенормирована, и предсказала три новые частицы, названные W+, W- и Z°.

Доказательство в пользу Z° было обнаружено в ЦЕРНе в Женеве в 1973 году.

Салам и Вейнберг были награждены Нобелевской премией в 1979 году, хотя W и Z частицы непосредственно не наблюдались до 1983 года.

Сильное взаимодействие может быть перенормировано само по себе в теории, названной КХД или квантовая хромодинамика.

Согласно КХД, протон, нейтрон, и многие другие элементарные частицы материи образованы из кварков, у которых есть замечательное свойство, называемой физиками цветом (отсюда и термин "хромодинамика", хотя цвета кварка -- лишь удобные обозначения -- нет никакой связи с видимым цветом).

Кварки бывают трех так называемых цветов: красные, зеленые и синие.

Кроме того, у каждого кварка есть партнер-античастица, и цвета этих частиц называют антикрасным, антизеленым и антисиним.

Идея в том, что только комбинации, а не чистые цвета, могут существовать в виде свободных частиц.

Существуют два способа добиться таких нейтральных комбинаций кварков.

Цвет и его антицвет аннулируют друг друга, так кварк и антикварк формируют бесцветную пару - нестабильную частицу, называемую мезоном.

Кроме того, когда все три цвета (или антицвета) смешиваются, в результате не получается чистого цвета.

Три кварка, по одному каждого цвета, образуют стабильные частицы, названные барионами, примеры которых -- протоны и нейтроны (а три антикварка образуют античастицы барионов).

Протоны и нейтроны являются барионами, которые составляют ядра атомов и служат основой всей обычной материи во Вселенной.

У КХД также есть свойство, названное асимптотической свободой, которое мы упомянули, не называя, в Главе 3.

Асимптотическая свобода означает, что сильные взаимодействия между кварками малы, когда кварки находятся близко друг от друга, но увеличиваются, если они удаляются, почти как если бы к ним присоединили резинки.

Асимптотическая свобода объясняет, почему мы не видим отдельных кварков в природе и были неспособны создать их в лаборатории.

Однако даже при том, что мы не можем наблюдать отдельные кварки, мы принимаем модель, потому что она очень хорошо работает при объяснении поведения протонов, нейтронов и других частиц материи.

После объединения слабых и электромагнитных взаимодействий в 1970-ых физики искали способ вписать сильное взаимодействие в эту теорию.

Существует множество так называемых теорий Великого объединения или GUT, которые объединяют сильные взаимодействия со слабыми и с электромагнетизмом, но они главным образом предсказывают, что протоны, вещество, из которого мы сделаны, должны распадаться в среднем приблизительно через 10^32 лет.

Это очень продолжительное время жизни, учитывая, что возраст Вселенной лишь около 10^10 лет.

Но в квантовой физике, когда мы говорим что среднее время жизни частицы 10^32 лет, мы не подразумеваем, что большинство
частиц живут приблизительно 10^32 лет, некоторые немного больше, а некоторые немного меньше.

Вместо этого мы подразумеваем, что каждый год у частицы есть 1 из 10^32 шансов распасться.

В результате, если вы следите за резервуаром,
содержащим 10^32 протонов, в течение всего лишь нескольких лет, вы должны наблюдать несколько протонных распадов.

Не слишком трудно построить такой резервуар, поскольку 10^32 протонов содержится всего лишь в тысяче тонн воды.

Ученые провели такие эксперименты.

Оказывается, обнаружение распадов и дифференциация их от других событий, вызванных космическими лучами, которые непрерывно льются на нас из космоса, является не столь простым делом.

Чтобы минимизировать шум, эксперименты проводились в местах глубоко под землей, таких как шахта под горой в Японии глубиной 1 км, принадлежащая горнодобывающей и переплавляющей компании Kamioka и в некоторой степени защищенная от космических лучей.

В результате наблюдений в 2009 году исследователи заключили, что если протонный распад вообще существует, время жизни протона больше, чем 10^32 лет, что является плохой новостью для теорий Великого объединения.

В связи с тем, что ранее наблюдаемые свидетельства также были неспособны поддержать GUT, большинство физиков приняло специальную теорию, названную стандартной моделью, которая включает в себя объединенную теорию электрослабых взаимодействий и КХД в качестве теории сильных взаимодействий.

Но в стандартной модели электрослабые и сильные взаимодействия действуют отдельно и на самом деле не объединены.

Стандартная модель очень эффективна и согласуется со всеми наблюдамыми на сегодняшний день свидетельствами, но она в конечном счете неудовлетворительна, потому что кроме того, что она не объединяет электрослабые и сильные взаимодействия, она не включает гравитацию.

Может оказаться трудным объединить сильные взаимодействия с электромагнитными и слабыми взаимодействиями, но эти проблемы -- ничто по сравнению с проблемой слияния гравитации с тремя другими силами или даже создания отдельной квантовой теории гравитации.

Причина, по которой оказалось настолько трудным создать квантовую теорию гравитации, имеет отношение к принципу неопределенности Гейзенберга, который мы обсуждали в Главе 4.

Это не очевидно, но оказывается, что с учетом этого принципа величина поля и скорость его изменения играют такую же роль, как положение и скорость частицы.

Таким образом, чем точнее определено одно, тем менее точно может быть определено другое.

Важное следствие этого в том, что нет такой вещи как пустота.

Это так, поскольку пустота означает, что и величина поля, и скорость его изменения строго нулевые.

(Если бы скорость изменения поля была не нулевой, то место не оставалось бы пустым).

Так как принцип неопределенности не позволяет величине поля и скорости изменения быть точными, космос вовсе не пуст.

У него может быть состояние минимума энергии, названное вакуумом, но это состояние подвержено так называемому квантовому дрожанию или флуктуациям вакуума -- частицы и поля дрожат туда-сюда относительно существования.

Можно представить флуктуации вакуума как пару частиц, которые одновременно появляются в какой-то момент, расходятся, а затем объединяются и аннигилируют друг друга.

Выраженные диаграммами Фейнмана, они представляют собой замкнутые контуры.

Эти частицы называют виртуальными частицами.

В отличие от реальных, виртуальные частицы не могут наблюдаться непосредственно детектором частиц.

Однако их косвенные эффекты, такие как небольшие изменения энергии электронных орбит, могут быть измерены и согласуются с теоретическими предсказаниями до замечательной степени точности.

Проблема состоит в том, что виртуальные частицы имеют энергию, и поскольку существует бесконечное число виртуальных пар, у них было бы бесконечное количество энергии.

Согласно общей теории относительности это означает, что они искривили бы Вселенную до бесконечно малого размера, чего очевидно не происходит!

Это проклятие бесконечности похоже на проблему, которая возникает в теориях сильных, слабых, и электромагнитных взаимодействий, кроме тех случаев, когда перенормировка устраняет бесконечности.

Но замкнутые контуры в диаграммах Фейнмана для гравитации создают бесконечности, которые не могут быть сокращены перенормировкой, потому что в общей относительности недостаточно перенормируемых параметров (таких как величина массы и заряда), чтобы устранить все квантовые бесконечности из теории.

Поэтому мы остаёмся с теорией гравитации, предсказывающей, что определенные величины, такие как кривизна пространства-времени, бесконечны, что не ведет к развитию пригодной для жизни Вселенной.

Это означает, что единственная возможность получения разумной теории было бы как-нибудь сократить все бесконечности, не прибегая к перенормировке.

В 1976 году возможное решение этой проблемы было найдено.

Его называют супергравитацией.

Приставка "супер" добавлялась не потому, что физики думали, что было бы "супер", если бы эта теория квантовой гравитации могла на самом деле работать.

В данном случае "супер" выражает своего рода симметрию, которой обладает теория, называемая суперсимметрией.

В физике система, как говорят, обладает симметрией, если ее свойства не зависят от определенных преобразований, таких как вращение ее в пространстве или получение ее зеркального отображения.

Например, если вы переворачиваете пончик, он выглядит в точности одинаково (если он без шоколадной посыпки, в этом случае лучше его просто съесть).

Суперсимметрия -- более тонкий вид симметрии, которая не может быть связана с преобразованием обычного пространства.

Одним из важных значений суперсимметрии является то, что частицы силы и частицы материи, а, следовательно, сила и материя, на самом деле лишь два аспекта одного и того же явления.

В сущности, это означает, что у каждой частицы материи, такой как кварк, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей силы, и у каждой частицы силы, такой как фотон, должна быть частица-партнер, являющаяся частицей материи.

У этой теории есть потенциал, чтобы решить проблему бесконечностей, потому что оказывается, что бесконечности от замкнутых контуров частиц силы положительны, в то время как бесконечности от замкнутых контуров частиц материи отрицательны, таким образом бесконечности в этой теории, обусловленные частицами силы и их партнерами, частицами материи, имеют свойство сокращаться.

К сожалению, вычисления, необходимые чтобы узнать, были ли бы какие-нибудь бесконечности, оставшиеся несокращенными в супергравитации, были такими длинными и сложными, и имели такой потенциал для ошибки, что никто не был готов за них браться.

Большинство физиков, тем не менее, полагало, что супергравитация была, вероятно, правильным ответом на проблему объединения гравитации с другими силами.

Вы могли бы подумать, что справедливость суперсимметрии будет легко проверить -- просто исследуйте свойства существующих частиц и увидите, разделяются ли они на пары.

Никакие такие частицы-партнеры не наблюдались.

Но различные вычисления, которые выполнили физики, указывают, что частицы-партнеры, соответствующие частицам, которые мы наблюдаем, должны быть в тысячу раз более массивными, чем протон, если не еще более тяжелыми.

Они слишком тяжелые для таких частиц, чтобы быть замечеными в любых экспериментах, проводившихся до настоящего времени, но есть надежда, что такие частицы будут в конечном счете созданы в Большом Адронном Коллайдере в Женеве.

Идея суперсимметрии была ключом к созданию супергравитации, но понятие фактически возникло несколькими годами ранее у теоретиков, изучающих неоперившуюся теорию, названную теорией струн.

Согласно теории струн, частицы -- это не точки, а структуры колебаний, у которых есть длина, но нет высоты или ширины -- подобно бесконечно тонким струнам.

Теории струн также приводят к бесконечностям, но полагают, что в правильной версии все они сократятся.

У них есть другая необычная особенность.

Они непротиворечивы, только если пространство-время имеет десять измерений вместо обычных четырех.

Десять измерений могли бы казаться захватывающими, но они вызвали бы реальные проблемы, если бы вы забыли, где оставили свой автомобиль.

Если они существуют, почему мы не замечаем эти лишние измерения?

Согласно теории струн, они скручены в пространство очень небольшого размера.

Чтобы изобразить это, представьте себе двумерную плоскость.

Мы называем плоскость двумерной, потому что нужно два числа (например, горизонтальная и вертикальная координаты), чтобы определить местоположение любой точки на ней.

Другое двумерное пространство -- поверхность соломинки.

Чтобы определить местоположение точки в этом пространстве, нужно знать, где точка вдоль соломинки, а также какова ее круговая координата.

Но если бы соломинка была очень тонкой, вы бы очень хорошо установили примерное расположение, используя только координату, проходящую вдоль соломинки, поэтому вы могли бы не учитывать круговое измерение.

И если бы соломинка была "одной миллион- -миллион-миллион-миллион-миллионной" сантиметра в диаметре, то вы бы не заметили кругового измерения вообще.

Это и есть картина, благодаря которой теоретики струн имеют дополнительные измерения, они сильно изогнуты, или закручены, в масштабе настолько маленьком, что мы их не видим.

В теории струн дополнительные измерения свернуты в то, что называют внутренним пространством, в противоположность трехмерному пространству, которое мы изведываем в повседневной жизни.

Как мы увидим, эти внутренние состояния -- не просто скрытые, смятые измерения — у них есть важное физическое значение.

В дополнение к вопросу об измерениях, теория струн пострадала от другой нелепой проблемы.

Казалось, было по крайней мере пять различных теорий и миллионы способов, которыми могли быть свернуты дополнительные измерения, что было настоящей помехой для перспектив тех, кто отстаивал, что теория струн была уникальной теорией всего.

Затем, приблизительно в 1994 году, люди начали обнаруживать дуальности — что различные теории струн и различные способы свернуть дополнительные измерения являются просто различными способами описать одни и те же явления в четырех измерениях.

Кроме того, они обнаружили, что супергравитация также связана таким способом с другими теориями.

Теоретики струн теперь убеждены, что пять различных теорий струн и супергравитация -- только различные приближения к более фундаментальной теории, каждая справедлива в различных ситуациях.

Эту более фундаментальную теорию называют М-теорией, как мы упоминали ранее.

Никто, похоже, не знает, что означает "М": может быть "материнская", "магическая" или "мистическая".

Похоже, все три.

Люди все еще пытаются разгадать природу М-теории, но, может быть, это невозможно.

Может статься, что традиционные ожидания физиками единой теории сущего несостоятельны и единой формулы просто не существует.

Быть может, чтобы описать вселенную, нам придётся в разных ситуациях применять различные теории.

У каждой теории может быть своя собственная версия действительности, но, согласно модельно-ориентированному реализму, это приемлемо, поскольку теории согласуются в своих предсказаниях всякий раз, когда они частично совпадают, то есть всякий раз, когда обе они могут быть применены.

Вне зависимости от того, cуществует ли М-теория как единая формула или представляет собой лишь систему, мы знаем о некоторых её свойствах.

Во-первых, в М-теории одиннадцать пространственно-временных измерений, вместо десяти.

Теоретики струн давно подозревали, что предсказание о десяти измерениях придётся подкорректировать и недавние исследования показали, что одно измерение действительно было пропущено.

Также, в М-теории могут быть не только вибрирующие струны, но ещё и точечные частицы, двумерные мембраны, трёхмерные пузыри и другие объекты, более сложные в изображении и занимающие даже больше измерений пространства, вплоть до девяти.

Такие объекты называют p-бранами (где p изменяется от 0 до 9).

А что на счет гигантского количества путей свертывания крошечных измерений?

В М-теории такие дополнительные измерения не могут быть свернуты как угодно.

Математический аппарат теории ограничивает способы, которыми могут быть свернуты измерения внутреннего пространства .

Конкретная форма внутренних измерений определяет и значения физических констант, таких как заряд электрона, и природу взаимодействий между элементарными частицами.

Другими словами - она определяет действительные законы природы.

Мы говорим "действительные" потому, что мы имеем в виду законы, которые мы наблюдаем в нашей вселенной - законы четырех сил и параметров, таких как масса и заряд, характеризующих элементарные частицы.

Но более фундаментальные законы -- это законы М-теории.

Законы М-теории поэтому учитывают различные вселенные с различными наблюдаемыми законами, в зависимости от того, как закручено внутреннее пространство.

У М-теории есть решения, которые учитывают многие различные внутренние пространства, возможно, целых 10^500, что означает, что она допускает 10^500 различных вселенных, каждую со своими собственными законами.

Чтобы понять, насколько это много, подумайте вот о чем.

Если бы некое существо могло анализировать законы, предсказанные для каждой из тех вселенных, всего лишь за одноу миллисекунду, и начало бы работать над ними вслед за большим взрывом, в настоящее время это существо рассмотрело бы лишь 10^20 из них.

И это без перерывов на кофе.

Столетиями ранее Ньютон доказал что математические уравнения могут предоставить поразительно точные описания взаимодействий объектов, как на Земле, так и в небе.

Учёных привели к вере в то, что будущее всей вселенной откроется их взору, лишь только мы узнаем правильную теорию и будем иметь достаточно компьютерных мощностей.

Потом пришла квантовая неопределённость, искривлённое пространство, кварки, струны с лишними измерениями, и как результат их трудов 10^500 вселенных, каждая со своими законами и лишь одна из которых соотносится со Вселенной, которая известна нам.

От исконной надежды физиков—выработать единую теорию, объясняющую действительные законы нашей Вселенной как уникальную вероятность последствия нескольких простых допущений—следует отказаться.

Что же это нам даёт?

Если М-теория допускает 10^500 различных случаев действительных законов, как же мы оказались имеено в этой Вселенной, с законами действительными для нас?

И как насчёт тех, других возможных миров?

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/14366/48341

Переводчики: cosinus, uraveselov, serrrg, justafake

an2n, lynxtaa, Yesaul11, aleva

Irina73