 |
|
Популярные авторы:: БСЭ :: Желязны Роджер :: Joyce James :: Толстой Лев Николаевич :: Раззаков Федор :: Андерсон Пол Уильям :: Станюкович Константин Михайлович :: Чехов Антон Павлович :: Сименон Жорж :: Лондон Джек Популярные книги:: The Boarding House :: Бурый волк :: Пошехонская старина :: Мальтийский сокол :: Вторая книга Паралипоменон :: Основание :: Как мы изобрели фотосинтезатор :: Сорок бочек арестантов :: 64 килобайта о Фидо :: Подземная Москва |
Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природыModernLib.Net / Научно-образовательная / Вайнберг Стивен / Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Чтение (стр. 22)
Б163 Например, уравнение, утверждающее, что отношение массы u-кварка к массе d-кварка плюс отношение массы d-кварка к массе u-кварка равно 2,5, очевидно симметрично относительно обоих кварков. Оно имеет два решения: в одном масса u-кварка вдвое больше массы d-кварка, в другом масса d-кварка вдвое больше массы u-кварка. У этого уравнения нет решения, отвечающего равным массам, поскольку тогда оба отношения равнялись бы 1, а их сумма равнялась бы 2, а не 2,5. Б164 Направление этого магнитного поля определяется любым случайным магнитным полем, например полем Земли. Важно, что напряженность возникающего в железе магнитного поля одинакова, вне зависимости от того, каким бы слабым ни было случайное внешнее поле. Если нет сильного внешнего магнитного поля, направление намагниченности внутри железа разное в разных «доменах», и те магнитные поля, которые спонтанно возникают внутри отдельных доменов, взаимно уничтожаются во всем куске магнита. Домены можно выстроить в одном направлении, поместив охлажденный кусок железа в сильное внешнее магнитное поле. Даже если затем выключить внешнее поле, намагниченность сохраняется. Б165 Эта симметрия нарушена не полностью. Остающаяся ненарушенная симметрия (известная как электромагнитная калибровочная инвариантность) обеспечивает равенство нулю массы фотона. Но и эта остаточная симметрия нарушается в сверхпроводнике. Действительно, что такое сверхпроводник? По существу, это не что иное, как кусок вещества, в котором нарушена электромагнитная калибровочная инвариантность. Б166 Это было сделано К. Коуэном и Ф. Райнесом. Б167 В том числе Ф. Энглерт и Р. Браут, а также Г. Гуральник, К. Хаген и Т. Киббл. Б168 За счет этого нового взаимодействия произведения полей любых частиц могут приобрести вакуумные средние значения, нарушающие электрослабую симметрию, хотя вакуумные средние значения отдельных полей остаются при этом равными нулю. (Знакомым свойством вероятностей является то, что произведение величин может иметь ненулевое среднее значение, даже если средние значения отдельных величин равны нулю. Например, средняя высота океанских волн над уровнем моря, по определению, равна нулю, но среднее значение квадрата высоты океанских волн, т.е. произведения высоты на саму себя, не равно нулю.) Это новое взаимодействие может оставаться необнаруженным, если оно действует только на пока что не найденные гипотетические очень тяжелые частицы. Б169 Эти теории были независимо разработаны Ленни Сасскиндом из Стэнфорда и мной. Чтобы отличить предложенный в них новый тип сверхсильных взаимодействий от знакомых сильных «цветовых» взаимодействий, связывающих кварки внутри протонов, эти взаимодействия по предложению Сасскинда назвали техницветом. Трудности с идеей техницвета связаны с тем, что в ней не учитываются массы кварков, электронов и т.п. Путем разных ухищрений можно придать этим частицам массы и не вступить в противоречие с экспериментом, но тогда сама теория становится настолько вычурной и искусственной, что к ней трудно относиться серьезно. Б170 Теории, объединяющие сильные и электрослабые взаимодействия, часто называют теориями великого объединения. Конкретные варианты таких теорий предлагались Джогешем Пати и Абдусом Саламом, Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу, и многими другими. Б171 Речь идет о работе, написанной Говардом Джорджи, Элен Квинн и мной. Б172 Точнее, предсказывается ровно одно отношение этих констант. Когда в 1974 г. предсказание было сделано, оно поначалу казалось ошибочным: теория предсказывала значение 0,22, а из опытов по рассеянию нейтрино следовало, что значение отношения равно 0,35. С течением времени экспериментальное значение этой величины уменьшалось, и сейчас оно очень близко к предсказываемой величине 0,22. Однако измерения и теоретические расчеты достигли сейчас такой точности, что мы можем различать расхождение между ними на уровне нескольких процентов. Мы увидим далее, что существуют теории (подчиняющиеся новому типу симметрии, известной как суперсимметрия), которые естественным образом объясняют это остающееся расхождение. Б173 Суперсимметрия была предложена как захватывающая возможность Юлиусом Вессом и Бруно Зумино в 1974 г., но с тех пор интерес к суперсимметрии проявлялся только в связи с решением проблемы иерархии. (Другие варианты суперсимметрии были предложены в более ранних работах Ю.А. Гольфанда и Е.П. Лихтмана, а также Д.В. Волкова и В.П. Акулова, но в этих работах не раскрывалось физическое значение суперсимметрии, так что они не привлекли внимания. По крайней мере частично, Весс и Зумино были вдохновлены работами 1971 г. по теории струн П. Рамона, А. Неве и Дж. Шварца и Ж.-Л. Жервэ и Б. Сакиты.) Б174 До возникновения суперсимметрии считалось, что никакая симметрия не может запретить такие массы. Отсутствие масс у таких частиц, как кварки и электроны, фотон, W– и Z-частицы и глюоны, в уравнениях первоначальной версии стандартной модели неразрывно связано с тем, что у этих частиц есть спин. (Знакомое явление поляризации света есть прямое следствие наличия спина фотона.) Однако для того, чтобы поле имело ненулевое вакуумное среднее, нарушающее электрослабую симметрию, это поле должно быть бесспиновым. В противном случае, вакуумное среднее будет нарушать также симметрию вакуума по отношению к изменению направлений, что грубо противоречит наблюдениям. Суперсимметрия решает проблему, устанавливая связь между бесспиновым полем, вакуумное среднее которого нарушает электрослабую симметрию, и различными полями со спином, которым электрослабая симметрия запрещает иметь массы, входящие в полевые уравнения. У суперсимметричных теорий много своих проблем: суперпартнеры известных частиц не обнаружены, следовательно, они должны быть намного тяжелее, и поэтому сама суперсимметрия должна нарушаться. Существует ряд интересных предложений о механизме нарушения суперсимметрии, причем некоторые из них включают гравитационное взаимодействие, однако, вопрос все еще открыт. Б175 В той версии стандартной модели, которая основана на введении нового сверхсильного взаимодействия (техницвета), можно обойти проблему иерархий, поскольку массы вообще не входят в уравнения, описывающие физику при энергиях много меньше планковской. Вместо этого шкала масс частиц W и Z, а также других элементарных частиц стандартной модели, определяется тем, как изменяются с энергией константы техницветового взаимодействия. Считается, что техницветовое взаимодействие, а также сильное и электрослабое взаимодействия, имеют общую константу при энергии, близкой к энергии Планка. С уменьшением энергии константа будет расти очень медленно, так что цветовое взаимодействие будет недостаточно сильным, чтобы нарушить любую симметрию, пока энергия не уменьшится до величины, намного меньше планковской энергии. Вполне вероятно, что без всякой тонкой настройки параметров теории, техницветовое взаимодействие будет расти с уменьшением энергии чуть быстрее, чем обычное цветовое взаимодействие, так что оно породит массы W– и Z-частиц, близкие к наблюдаемым, в то время как обычное цветовое взаимодействие, действуя в одиночку, породит в тысячу раз меньшие массы этих частиц. Б176 Суперсимметрия сопоставляет всем известным кваркам, фотонам и т.д. «суперпартнеров» другого спина. Хотя ни одна из этих частиц не наблюдалась, теоретики не замедлили дать им имена: суперпартнеры (нулевого спина) частиц типа кварков, электронов и нейтрино, называются скварками, сэлектронами и снейтрино, а суперпартнеры (полуцелого спина) фотона, W, Z и глюонов называются фотино, вино, зино и глюино. Я как-то предложил называть этот местный жаргон «лангино»40), но Гелл-Манн предложил лучший термин «сязык». Совсем недавно идея суперсимметрии получила мощный толчок от экспериментов по распаду Z-частицы в ЦЕРНе. Как отмечалось выше, эти эксперименты сейчас настолько точны, что можно говорить о небольшом (порядка 5 %) расхождении между предсказанным в 1974 г. отношением констант, равным 0,22, и наблюдаемым значением. Интересно, что расчеты, учитывающие существование скварков и глюино, а также всех остальных требуемых суперсимметрией новых частиц, приводят к таким изменениям констант взаимодействия, которые вполне достаточны, чтобы привести к согласию между теорией и экспериментом. Б177 Впервые это было обнаружено в 1968 г. при сравнении экспериментальных результатов Рея Дэвиса с расчетами Джона Бакала ожидаемого потока солнечных нейтрино. Б178 Это было предложено в 1985 г. С.П. Михеевым и А.Ю. Смирновым на основе более ранней работы Линкольна Вольфенштейна. Б179 Предложено независимо Йоширо Намбу, Хольгером Нильсеном и Леонардом Сасскиндом. Б180 Это замечание принадлежит Эдварду Виттену. Б181 Некоторые из этих трудностей можно преодолеть только путем наложения симметрии, которую позднее назвали суперсимметрией, так что такие теории часто называют теориями суперструн. Б182 Хотя такая нежелательная частица возникает в теориях струн как мода колебаний замкнутой струны, не удается избежать появления этой частицы, рассматривая только открытые струны, так как при соударениях открытых струн обязательно образуются замкнутые струны. Б183 К этому выводу пришли независимо Ричард Фейнман и я. Б184 Это было впервые предложено в 1974 г. Дж. Шерком и Дж. Шварцем и независимо Т. Йонейя. Б185 Цит. по Horgan J. // Scientific American, November 1991, p. 48. Б186 Действительно, теорию струн можно рассматривать как теорию частиц, отвечающих различным модам колебаний струны, но из-за бесконечно большого числа сортов частиц в любой струнной теории она отличается от обычных квантовых теорий поля. Например, в квантовой теории поля испускание и обратное поглощение одного сорта частиц (скажем, фотона) приводит к бесконечному сдвигу энергии – в правильно сформулированной теории струн эта бесконечность сокращается благодаря эффектам испускания и поглощения частиц, принадлежащих бесконечному числу других типов. Б187 Эта несогласованность в теории струн была чуть ранее обнаружена Виттеном и Луисом Альварес-Гауме. Б188 Филип Канделас, Гарри Горовиц, Эндрю Строминджер и Эдвард Виттен. Б189 Дэвид Гросс, Джеффри Харви, Эмиль Мартинес и Райан Ром. Б190 Конформная симметрия основана на факте, что при движении множества струн в пространстве, они заметают в пространстве-времени двумерную поверхность. Каждая точка на поверхности имеет метку, задающую момент времени, и другую метку, определяющую координату вдоль одной из струн. Как и для любой другой поверхности, геометрия этой заметенной струнами двумерной поверхности описывается выражением для расстояния между любой парой очень близких точек, записанного через координатные метки. Принцип конформной инвариантности утверждает, что уравнения, управляющие движением струн, сохраняют свою форму, если мы изменим способ измерения расстояний, умножив все расстояния между какой-то точкой и любой соседней точкой на величину, произвольным образом зависящую от положения первой точки. Конформная симметрия необходима потому, что в противном случае колебания струны в направлении оси времени приведут (согласно одной из формулировок теории) либо к отрицательным вероятностям, либо к нестабильности вакуума. При наличии конформной симметрии эти времениподобные колебания могут быть устранены из теории преобразованием симметрии, и поэтому безвредны. Б191 Термин «антропный принцип» ввел Б. Картер. См., например, Confrontation of Cosmological Theories with Observation / Ed. M.S. Longair (Dordrecht: Reidel, 1974); Carter B. The Anthropic Principle and Its Implications for Biological Evolution // The Constants of Physics / Ed. W. McCrea and M.J. Rees (London: Royal Society, 1983), p. 137; Barrow J.D. and Tipler F.J. The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Clarendon Press, 1986); Gribbin J. and Rees M. Cosmic Coincidences: Dark Matter, Mankind, and Anthropic Cosmology (New York: Bantam Books, 1989), chap. 10; Leslie J. Universes (London: Routledge, 1989). Б192 Салпетер в своей статье 1952 года также говорит о том, что И. Опик выдвигал эту идею в 1951 году. Б193 С Хойлом работали Д.Н.Ф. Данбар, В.А. Венцель, В. Уолинг. Б194 На самом деле, уровни энергии кислорода также должны обладать специальными свойствами, чтобы не допустить превращения всего углерода в кислород. Б195 В группу входили М. Ливио, Д. Холловелл, А. Вейс и Дж.В. Труран. Б196 Конкретно, на 60 кэВ. Это, конечно, очень маленькая энергия по сравнению с разностью в 7,644 МэВ между энергиями этого нестабильного состояния и стабильного наинизшего состояния углерода. Но не требуется никакой тонкой настройки, чтобы сделать энергию этого нестабильного состояния ядра углерода равной с такой же точностью энергии ядра бериллия-8 и ядра гелия, поскольку в хорошем приближении соответствующие состояния ядер углерода и бериллия являются просто слабо связанными ядерными молекулами, состоящими из трех или двух ядер гелия. (Я благодарен моему коллеге Вадиму Каплуновскому из Техасского университета за это замечание.) Б197 Эта версия антропного принципа иногда называется слабым антропным принципом. Б198 Hoyle F. Galaxies, Nuclei, and Quasars (London: Heinemann, 1965). Б199 Строго говоря, эти «кротовые норы» возникают математически в том подходе к квантовой гравитации, которая известна как евклидово интегрирование по траекториям. Неясно, какое отношение все это может иметь к реальным физическим процессам. Б200 Коулмен продолжал настаивать (как Баум и Хокинг ранее), что вероятности этих констант имеют бесконечно высокие пики при определенных значениях, так что с подавляющей вероятностью константы примут эти конкретные значения. Однако такой вывод базируется на математической формулировке (в виде евклидового интеграла по траекториям) квантовой космологии, согласованность которой находится под вопросом. Трудно быть полностью уверенным во всем этом, поскольку мы имеем дело с гравитацией в квантовой области, т.е. там, где наши уравнения уже неадекватны. Б201 Чтобы вновь показать, насколько бывает сложной история науки, замечу, что сразу же после работы Эйнштейна 1917 г. по космологии его друг Биллем де Ситтер указал на то, что уравнения гравитационного поля Эйнштейна, модифицированные путем включения космологической постоянной, имеют другой класс решений, также по внешнему виду статических, но не содержащих (или почти не содержащих) материи. Это разочаровало Эйнштейна, так как в его решении космологическая постоянная связана со средней космической плотностью материи, в согласии с теми идеями, которые Эйнштейн почерпнул у Маха. Кроме того, решение Эйнштейна (с материей) на самом деле нестабильно: любое малое возмущение переведет его в конце концов в решение де Ситтера. Чтобы еще больше запутать дело, отмечу, что модель де Ситтера только приближенно статична. Хотя пространственно-временная геометрия в использованной де Ситтером координатной системе не изменяется со временем, любые малые пробные частицы, помещенные в его вселенную, будут разлетаться друг от друга. На самом деле, когда в начале 1920 г. в Англии стали известны измерения Слайфера, они были сначала интерпретированы Эддингтоном в рамках решения де Ситтера уравнений Эйнштейна при наличии космологической постоянной, которое также является статическим, а не с помощью первоначальной теории Эйнштейна, приводящей к нестатическому решению. Б202 Abbott L. // Scientific American 258, no. 5 (1985): 106. Б203 Мы не можем даже надеяться, что найдется механизм, с помощью которого вакуумное состояние потеряет энергию, перейдя в состояние с более низкой энергией и, следовательно, меньшей космологической постоянной, и в конце концов спустится в состояние с нулевой полной космологической постоянной, так как некоторые из этих возможных вакуумных состояний в теориях струн уже обладают большой отрицательной полной космологической постоянной. Б204 Если обнаружится меньшая или большая плотность, то сразу возникнет вопрос, почему расширение продолжалось миллиарды лет и все еще замедляется. Б205 Popper К.R. Objective Knowledge: An Evolutionary Approach (Oxford: Clarendon Press, 1972), p. 195. (Рус. пер. Поппер К.Р. Объективное знание. Эволюционный подход. М.: УРСС, 2002.) Б206 Redhead М. Explanation. August 1989. Б207 Интересное обсуждение этой возможности дается в книге Davies P. What Are the Laws of Nature // The Reality Club #2 / Ed. John Brockman (New York: Lynx Communications, 1988). Б208 Wheeler J.A. Beyond the Black Hole // Some Strangeness in the Proportion: A Centennial Symposium to Celebrate the Achievements of Albert Einstein / Ed. H. Woolf (Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1980), p. 341. Б209 Nielsen H.B. Field Theories Without Fundamental Gauge Symmetries // The Constants of Physics / Ed. W. McCrea and M.J. Rees (London: Royal Society, 1983), p. 51; перепечатано в Philosophical Transactions of the Royal Society of London A310 (1983): 261. Б210 Wigner E.P. The Limits of Science // Proceedings of the American Philosophical Society 94 (1950): 422. (На русском языке опубликована в книге: Вигнер Э.П. Инвариантность и законы сохранения. Этюды о симметрии. М.: УРСС, 2002.) Б211 Redhead М. Explanation. Б212 Nozick R. Philosophical Explanation (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1981), chap. 2. Б214 Hawking S. A Brief History of Time (London: Bantam Books, 1988). (Рус. пер. Хокинг С. Краткая история времени. М.: Амфора, 2003); Ткefil J. Reading the Mind of God (New York: Scribner, 1989) и Davies P. The Mind of God: The Scientific Basis for a Rational World (New York: Simon & Schuster, 1992). Б215 Misner С.W. // Cosmology, History, and Theology / Ed. W. Yourgrau and A.D. Breck (New York: Plenum Press, 1977), p. 97. Б216 Цит. пo Holton G. // The Advancement of Science, and Its Burdens (Cambridge: Cambridge University Press, 1986), p. 91. Б217 Einstein A. Festschrift f Б218 П. Тиллих, выступление в университете Северной Каролины 1960, цит. по De Witt В. Decoherence Without Complexity and Without an Arrow of Time (University of Texas, Center of Relativity: preprint, 1992). Б219 Это взято из неопубликованной стенограммы слушаний. Б220 Взято из интервью в «Нью-Йорк Таймс», апрель 25, 1929. Я благодарен А. Пайсу за эту цитату. Б221 Работы Галилея показали, что мы на Земле не должны чувствовать движения Земли вокруг Солнца. Кроме того, его открытие лун Юпитера стало демонстрацией Солнечной системы в миниатюре. Завершающее доказательство связано с открытием фаз Венеры, что никак не согласовывалось с предположением, что Венера и Солнце вращаются вокруг Земли. Б222 Обращаясь вокруг Земли вместо того, чтобы улететь по прямой в открытый космос, Луна за каждую секунду приобретает компоненту скорости, равную 0,1 см/с по направлению к Земле. Теория Ньютона объяснила, что это в 3 600 раз меньше, чем ускорение падающего яблока в саду Кембриджа, так как Луна в шестьдесят раз дальше от центра Земли, чем Кембридж, а ускорение за счет силы тяготения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Б223 Perutz М.Е. Erwin Schr Б224 Я впервые услышал о профессоре Джонсоне, когда мой друг показал мне его статью «Эволюция как догма». См. A Monthly Journal of Religion and Public Life, October 1990, pp. 15–22. Б225 Gould S. Impeaching a SelfAppointed Judge // Scientific American, July 1992, p. 118. Б226 Polkinghorne J. Reason and Reality: The Relation Between Science and Theology (Philadelphia: Trinity Press International, 1991). Б227 Более подробно см. Levinson S. Religious Language and the Public Square // Harvard Law Review 105 (1992): 2061; Midgley M. Science as Salvation: A Modern Myth and Its Meaning (London: Routledge, 1992). Б228 Lightman A. and Brawer R. Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1990). Б229 Sontag S. Piety Without Content // Against Interpretation and Other Essays (New York: Dell, 1961). (Рус. пер. Зонтаг С. Против интерпретации. Сб. статей. М., 1988.) Б230 Trevor-Roper H.R. The European Witch-Craze of the Sixteenth and Seventeenth Centuries, and Other Essays (New York: Harper & Row, 1969). Б231 Popper K.R. The Open Society and Its Enemies (Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1966), p. 244. (Рус. пер. Поппер K.P. Открытое общество и его враги. М., 1992.) Б232 См. его Трактат о природе человека (1739). Б233 Bede. A History of the English Church and People / Trans. Leo Sherley-Price and rev. R.E. Latham (New York: Dorset Press, 1985), p. 127. Б234 Цит. по работе Science 221 (1983): 1040. Б235 Туннель установки ИЗАБЕЛЛА используется сейчас для релятивистского ускорителя тяжелых ионов, который будет использоваться для изучения столкновений тяжелых ионов с целью понять свойства ядерной материи, а не фундаментальные принципы физики элементарных частиц. Ожидается, что этот ускоритель будет готов в 1997 г. Б236 Это замечание применимо к неоднородностям галактического размера, но не значительно большим неоднородностям, следующим из измерений СОВЕ. Они настолько велики, что даже световая волна не успела бы их пересечь за первые триста тысяч лет после начала современного расширения Вселенной, и поэтому (независимо от того, состоят они их темной материи или нет) они не могли испытать существенного роста за это время. Б237 После того, как местом строительства было выбран округ Эллис, в спорах возник новый элемент – зазвучали обвинения со стороны разочарованных политиков из таких штатов, как Аризона, Колорадо и Иллинойс, что Техас выиграл соревнование в выборе места строительства в результате нечестного политического давления. Широко обсуждался тот факт, что выбор министерством энергетики штата Техас в качестве места строительства ССК был объявлен буквально через два дня после избрания президентом США губернатора Техаса Джорджа Буша. После того, как решение о месте строительства ССК было обнародовано, министр энергетики Херрингтон заявил, что специальная комиссия министерства, которая установила рейтинг семи «самых подходящих» мест, была изолирована от политического давления, что он сам не получал выводов комиссии до дня выборов президента, что специальная комиссия сочла место в Техасе безусловно наилучшим, и что только после этого он получил одобрение окончательного решения от президента Рейгана и вновь избранного президента Буша. Я вполне могу поверить, что процесс отбора мог бы быть ускорен так, чтобы объявить решение перед выборами, но тогда это, несомненно, вызвало бы обвинения в том, что момент объявления был выбран специально, чтобы повлиять на важный голос штата Техас. С другой стороны, даже если избрание Джорджа Буша никак не повлияло на выбор места, министерство энергетики, безусловно, было хорошо осведомлено о влиятельности членов Конгресса от Техаса и их полном одобрении ССК, так что можно было надеяться, что решение о месте строительства в Техасе улучшит шансы проекта ССК на получение финансирования от Конгресса. Если так, то это вряд ли следует рассматривать как скандал или как первый и последний случай, когда правительственное агентство занимается подобными расчетами. Во всяком случае, я могу засвидетельствовать, что подобные расчеты не играли никакой роли в выборе семи самых предпочтительных мест комитетом национальных академий, в который я входил. Наш комитет с самого начала рассматривал место в Техасе в качестве одного из главных претендентов. Частично это было связано с исключительно удачными геологическими условиями. Другим важным фактором было наличие крикливой оппозиции строительству ССК в нескольких других, входивших в список наилучших местах, в том числе в лаборатории им. Ферми в штате Иллинойс. В округе Эллис практически каждый житель был рад приветствовать строительство ССК. Б238 См., например, R. Darman, цит. по: Aldhous P. Space Station Back on Track // Nature 351 (1991): 507. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 |
|||||||