Пол Девис
Суперсила



Пол Девис
Суперсила. Поиски единой теории природы

Предисловие редактора перевода

Книга известного английского популяризатора науки Пола Девиса, которую мы представляем советскому читателю, касается вопросов, относящихся на первый взгляд к диаметрально противоположным разделам современной физики – физике микромира, с одной стороны, и космологии – с другой. Однако подобный выбор темы вполне закономерен. Дело в том, что оба эти раздела посвящены наиболее фундаментальным проблемам современной науки, призванным пролить свет на самые сокровенные тайны природы. Именно здесь на наших глазах совершается переворот в общепринятых взглядах на устройство Вселенной, равнозначный по своему научному значению таким вехам в развитии физики, как создание теории электромагнетизма, теории относительности и квантовой механики. Речь идет о построении картины Вселенной, в которой различные виды взаимодействия частиц вещества сливаются в единой суперсиле и которую по достоинству можно назвать теорией всего сущего. Однако оказывается, что Вселенная – это единственная “лаборатория”, в которой сегодня и в обозримом будущем физики могут проверить “экспериментально” свои гипотезы, и притом гораздо глубже, нежели это удается сделать на обычных лабораторных ускорителях частиц. Природа устроена таким образом, что для более глубокого проникновения в ее суть, т.е. изучения структуры вещества во все меньших масштабах, приходится выплачивать своего рода дань в виде более высокой энергии, сообщаемой взаимодействующим частицам. Для этого требуются все более гигантские установки – ускорители встречных пучков частиц, коллайдеры. Так, итальянскими физиками предложен проект коллайдера на энергию протонов 100ТэВ (1014 эВ), длина которого по периметру составит около 250 км, а стоимость оценивается в 5 млрд. долл. Коллайдер предполагается ввести в действие в 1997–2000 гг. Но какие бы грандиозные перспективы ни сулило развитие ускорителей, многие из современных теоретических идей можно проверить лишь в “лаборатории” самой природы; для этого придется проследить, как происходила эволюция Вселенной в первые и краткие мгновения с момента ее возникновения в процессе Большого взрыва. Такова особенность развития современной физики, и рассказ об этом вряд ли оставит равнодушным читателя. Автор и сам не скрывает своего энтузиазма по поводу достигнутого современной наукой, справедливо усматривая в ее успехах яркое и убедительное свидетельство могущества человеческого разума.
Повествуя о достижениях науки, ее новых идеях, подчас далеко не очевидных, автор демонстрирует глубокие профессиональные знания и тонкое мастерство в изложении сложных вопросов на уровне, доступном широкому кругу читателей. Тем не менее книгу П. Дениса никак нельзя отнести к разряду легкого, занимательного “чтива”, и она, безусловно, потребует от читателя определенных усилий, вознаградив его богатством содержащегося в ней материала.
Характер изложения материала в научно-популярной литературе не может подчиняться строгим канонам – ведь каждый автор делится с читателем своим личным восприятием строгих научных истин, в оценке которых, как показывает практика, даже у специалистов нередко возникают самые противоречивые суждения. На наш взгляд, П. Девису при рассказе о новейших научных идеях удалось найти такой подход, который примут большинство читателей. Думается, что и эмоциональная оценка автором основных достижений современной физики вызовет одобрение. Даже если современный читатель скептически воспримет описанную автором обстановку “интеллектуального стресса”, сопровождавшего распространение квантовых представлений примерно полвека назад, то, дойдя до описания опытов по проверке природы квантовой неопределенности, выполненных А. Аспеком и его коллегами из Парижского университета, он вынужден будет вслед за Гамлетом воскликнуть: “И в небе и в земле сокрыто больше, чем снится вашей мудрости, Горацио!”. Это при том, что нынешние поколения изучающих физику уже не приходят в недоумение, впервые столкнувшись с парадоксальными с точки зрения повседневного опыта явлениями квантового мира. Следует отметить, что под “новой физикой” сегодня, как правило, понимают уже не теорию относительности и квантовую механику, а новые идеи, основанные на суперсимметрии и т. п.
Хотя автор закончил работу над книгой несколько лет назад, можно смело утверждать, что ее содержание не потеряет актуальности еще довольно долго. Проблемы, о которых рассказано на страницах книги, останутся предметом многочисленных экспериментальных исследований на протяжении 5–10, а возможно, и 15 ближайших лет, когда в различных лабораториях мира будут введены в действие коллайдеры нового поколения. Однако уже сегодня ясно, что и тогда далеко не все фундаментальные проблемы физики получат свое решение. Иначе говоря, книге П. Девиса можно почти безошибочно предсказать долгий читательский интерес.
И наконец, о “самой главной” особенности книги. Автору удалось показать, что современной науке под силу не только описание отдельных явлений или даже целого круга фактов. Сегодня наука способна нарисовать единую последовательную картину мироздания. Читатель становится свидетелем того, как на смену многовековым метафизическим или мистическим представлениям приходит истинно научное понимание эволюции и строения Вселенной.
Как уже говорилось, книга Дэвиса касается самых передовых рубежей науки, и даже подготовленный читатель вряд ли может рассчитывать в одинаковой мере усвоить все затронутые в ней вопросы. Хочется надеяться, что это не охладит его интереса к предмету. А тем, кто желает быть в курсе новостей науки, следует обратиться к научно-популярной периодике, в первую очередь к журналам “Наука и жизнь”, “Природа”, “В мире науки”. Специалистам смежных с физикой областей можно порекомендовать отдельные статьи в журнале “Успехи физических наук”, а также книгу Л. Б. Окуня “Физика элементарных частиц” (М.:Наука, 1984), в которой дан обзор основных достижений и проблем физики элементарных частиц.
Книга П. Девиса адресована широкой читательской аудитории, прежде всего тем, кто так или иначе соприкасается с физикой в процессе учебы или работы. Ее с неослабевающим вниманием прочтут все, кто интересуется физикой, фундаментальными проблемами науки, ее достижениями и путями развития. Научно-популярные книги такого рода способны помочь молодым людям найти свое призвание, привлечь талантливую молодежь к решению актуальных проблем современной науки, без чего трудно представить себе ее ускоренное развитие и высокий темп научно-технического прогресса.
Е. М. Лейкин

Вступление

Наблюдающийся в последнее время подъем общественного интереса к фундаментальной физике – одно из самых необычных социальных явлений нашего времени. Что же такое есть в физике с ее, казалось бы, непонятными формулами и загадочной терминологией, если она привлекает внимание широкой аудитории? Дело, как мне кажется, в замечательной способности физики объяснять окружающий мир и в глубокой таинственности многих разделов “новой физики”. Физика, единственная среди естественных наук, претендует на роль всеобъемлющей дисциплины, предметом изучения которой является Вселенная в целом. Физика позволяет с единых позиций подойти ко всем объектам Вселенной – от элементарных частиц, составляющих атомы, до самых крупных астрономических структур. Способность физики обнаруживать единство в странном и загадочном мире, окружающем нас, не может не воодушевлять.
В этой книге я рассказал о том, что можно было бы назвать величайшим триумфом новой физики, – о полной теории Вселенной, включая ее происхождение. Начало этой поразительной перспективе было положено серией существенных продвижений в нашем познании сил, точнее взаимодействий, управляющих природой. Последние исследования свидетельствуют о существовании некой главенствующей суперсилы, различными проявлениями которой служат все известные нам взаимодействия. Новые открытия проложили путь к радикально новой концепции единой Вселенной, рожденной в результате чудовищного катаклизма, в котором под действием суперсилы из первичного горнила возникли все физические системы.
Этот переворот в нашем понимании Вселенной происходит ныне. И сейчас, когда я пишу эти строки, приходят сообщения о новых успехах и открытиях в исследовании тех вопросов, о которых пойдет речь в дальнейшем. Преждевременно объявлять новые смелые идеи твердо установленными, но общее представление быстро получает признание ученых, работающих в области фундаментальной физики. Я написал эту книгу, желая поделиться с широкой общественностью тем восхищением и энтузиазмом, которые вызывают у меня поразительные достижения современной физики. Хотя многие из ее концепций трудны для понимания и далеки от повседневных реалий, я старался излагать их по возможно и непринужденно, языком, доступным для неспециалиста.
Работая над книгой, я продолжал с пользой для себя многочисленные плодотворные дискуссии с друзьями и коллегами.
Многое в содержании книги отражает прекрасные мысли и суждения, рожденные в этих беседах. Я особенно признателен моим ближайшим коллегам по университету в Ньюкасле Стивену Беддингу и Иану Моссу, оказавшим мне большую помощь в выяс-нении технических деталей. Существенную помощь и информацию я получил также от Алана Гута и проф. Мартина Риса.
В книге нередко встречаются очень большие и очень малые числа. Для их записи удобнее пользоваться специальными обозначениями степеней числа 10:
10^n означает единицу, за которой следует n нулей.
Например,
один миллион = 10^6 = 1 000 000
один миллиард = 10^9 = 1 000 000 000
один триллион = 10^12 = 1 000 000 000 000.

Аналогичным образом,
10^-n означает единицу, деленную на 10n.
Например,
одна миллионная = 10^-6 = 1/1 000 000
одна миллиардная == 10^-9 == 1/1 000 000 000
дна триллионная == 10^-12 == 1/1 000 000 000 000
и т.д.


1. Вселенная раскрывает свои тайны


Рождение Вселенной и поиск суперсилы

Рассказы о приключениях любят все. Одна из самых захватывающих приключенческих историй всех времен развертывается ныне в таинственном мире фундаментальной физики. Действующие лица ее – ученые, а цель их поисков превосходит самое смелое воображение: речь идет не больше и не меньше как о “ключе” к Вселенной.
Важнейшее научное открытие нашего века состоит в том, что окружающий нас физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.
У истоков этих драматических событий лежит ряд существенных открытий, сделанных за последнее десятилетие в фундаментальной физике, особенно в области под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил, действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области теоретического осмысления 'полученных результатов. Тон задают две новые Концептуальные схемы: так называемая Теория вeликoгo oбъeдинени (ТВО) и суперcиммeтрия. Эти научные направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсила, проявляющейся в различных “ипостасях”. Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила – нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал.
Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления природы в рамках единой описательной схемы.
Поиск суперсила можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм–тесно связанные явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об успехе этого описания можно судить по тому колоссальному влиянию, которое оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным, всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие необыкновенные результаты удалось бы получить на основе подобного объединения?
Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая Эйнштейном попытка создать единую теорию электромагнитного и гравитационного полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию единой теории поля произошло только в конце 60-х годов нашего столетия, когда было показано, что математически электромагнетизм можно объединить с одной из ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку; наиболее эффективной из них было предсказание новой разновидности света, состоящего не из обычных фотонов, а из загадочных Z-частиц. В 1983 г. в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, расположенном в окрестностях Женевы, Z-частицы были, наконец, обнаружены–и единая теория поля получила блестящее подтверждение.
К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями еще один тип ядерных сил – сильное взаимодействие. Одновременно были получены и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории,
Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10^-32 с, и эта мгновенная ее упорядоченность включала переход от десяти пространственных измерений к трем, сохранившимся до настоящего времени. Именно в ту эпоху Вселенная могла оказаться запертой в “космической ловушке”, что обеспечило генерацию из ничего огромных количеств энергии.
Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает Вселенную.
Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе способна объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению. Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей окружающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие строго соответствуют правилам, вытекающим из законов природы. Их оппоненты отрицают это.
Этот решающий выбор встал перед физикой более остро, чем перед какой-либо другой наукой, отчасти потому, что она является “фундаментальной” наукой. Именно физику надлежит раскрыть природу пространства и времени, фундаментальное строение вещества и действие сил, формирующих объекты, которые вкупе мы и называем Вселенной. Конечная цель физики заключается в том, чтобы объяснить, из чего построен мир, что “скрепляет” его части и как он действует. Если какая-либо часть мира – прошлое, настоящее или будущее – не вписывается в эту программу, то именно у физика это скорее всего вызовет тревогу.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39