Книга Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Сегодня известны четыре фундаментальные силы: сильное и слабое ядерные взаимодействия, электромагнетизм и гравитация. Сильное ядерное взаимодействие обеспечивает целостность атомных ядер, а слабое ядерное взаимодействие лежит в основе некоторых видов радиоактивного распада. Стивен Вайнберг, Абдус Салам и Шелдон Глэшоу в 1979 году получили Нобелевскую премию по физике за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий. Согласно их теории, должны были существовать подобные протону тяжелые частицы W+, W— и Z0, являющиеся носителями слабого взаимодействия, точно как протон является носителем электромагнитного. Эти частицы были открыты в ускорителе ЦЕРН (близ Женевы). В 1984 году Карло Руббиа и Симон ван дер Мер совместно получили за эту работу Нобелевскую премию по физике. Сильное и слабое ядерные взаимодействия, а также электромагнетизм описываются в рамках Стандартной модели физики частиц. Не так давно исследователи, работающие на Большом адронном коллайдере, открыли бозон Хиггса, существование которого также предсказано в этой теории. Бозон Хиггса – это частица, ассоциированная с полем Хиггса: скалярным полем, пронизывающим пространство и сообщающим массу частицам W+, W- и Z0. Стандартная модель физики частиц оказалась очень успешной, но сегодня она не в состоянии объяснить природу темной материи либо тот факт, что нейтрино обладают ненулевой массой. Кроме того, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие и электромагнетизм до сих пор не удается объединить с гравитацией.

Сегодня наиболее многообещающим кандидатом на роль теории Великого Объединения, способной унифицировать все четыре взаимодействия, представляется теория суперструн. В основе ее лежит идея о том, что элементарные частицы – это не точечные, а вытянутые объекты длиной порядка 10–33 см. Они напоминают космические струны, о которых мы уже говорили, – тем, что обладают положительной массой и натяжением по всей длине. Однако толщина у суперструн не микроскопическая, а нулевая. Вибрации струны могут отличаться, и в зависимости от вибраций она приобретает свойства той или иной элементарной частицы – кварка, электрона и т. п. Эд Виттен продемонстрировал, что пять различных вариантов теории суперструн плюс еще одна теория, именуемая теорией супергравитации, на самом деле являются частными случаями еще более масштабной системы, которую он назвал «М-теория». В M-теории пространство-время является 11-мерным, состоит из 10 пространственных измерений и времени. В нем присутствуют три знакомых нам пространственных измерения плюс еще семь миниатюрных свернутых пространственных измерений. Если бы я попытался объяснить лайнландцу, как выглядит соломинка для газировки, то я бы сказал, что она похожа на линию, только каждая точка на этой линии – на самом деле не точка, а крошечный кружочек. Если бы у нас имелись два дополнительных пространственных измерения, то это была бы крошечная двумерная поверхность, напоминающая не круг, а скорее бублик. В M-теории семь свернутых измерений подобны по форме миниатюрному кренделю, и этот крендель призван объяснить природу слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Возможны разнообразные формы. Цель – найти верную, такую, которая объясняла бы наблюдаемую нами физику частиц.

Примерно с такой головоломкой столкнулись Уотсон и Крик, пытавшиеся смоделировать структуру молекулы ДНК. Многие варианты казались возможными, но какой из них был верным? Когда они наконец решили эту задачу, получившаяся у них форма позволяла объяснить, каким образом хромосомы могут делиться, образуя самостоятельные, но при этом идентичные копии. Секрет был в том, что геометрически ДНК напоминает двойную спираль, которая может расплетаться на нити, а эти нити затем вновь сочетаются с комплементарными парами оснований – и получаются две одинаковые спирали. Точно так и в физике мы надеемся выявить микроскопическую геометрию дополнительных пространственных измерений, которая бы объясняла наблюдаемую физику. Сегодня над этой проблемой работает множество людей, следующих по пути, проторенному Калуцей и Клейном. Лиза Рэндалл и ее коллега Раман Сундрум исследовали, каким образом сильно искривленные дополнительные измерения могут объяснить крайнюю слабость гравитации по сравнению с остальными взаимодействиями. Если кому-то удастся найти такую версию M-теории, которая дает проверяемые прогнозы, согласующиеся с наблюдениями, то этот человек воплотит мечту Эйнштейна о теории Великого Объединения физики частиц и сравнится по авторитету с Ньютоном и Эйнштейном. Захватывающая перспектива.

Исследовав микроскопическую Вселенную, давайте теперь поговорим о макроскопической. Хотелось бы построить единую карту, на которой уместилась бы вся Вселенная; такая карта продемонстрировала бы нам интересные явления, заснятые космическим телескопом «Хаббл» с низкой околоземной орбиты, свойства Солнца и планет, звезд и галактик, далеких квазаров и космического микроволнового фона (реликтового излучения) – самых дальних горизонтов, которые мы способны увидеть. Проблема в том, что наша Галактика крошечная по сравнению с наблюдаемой частью Вселенной, а Солнечная система – микроскопическая точка в нашей Галактике. Следовательно, это непростая задача – уложить всю Вселенную на одной карте так, чтобы эта карта демонстрировала все, что нас интересует.

На рис. 22.2 показана карта (поперечное сечение) видимой части Вселенной, какой она представляется при взгляде с земного экватора. Земля находится в центре карты. Мы расположились в центре видимой части Вселенной, но не потому, что наша планета занимает какое-то особое положение, а потому (и это неудивительно), что мы находимся в центре той области, которая доступна нам для наблюдений. Аналогично, если подняться на крышу Эмпайр-Стейт-Билдинг, то перед вами будет расстилаться область, ограниченная горизонтом, и в центре этой области окажется здание Эмпайр-Стейт-Билдинг. С верхней обзорной площадки Эйфелевой башни вы увидите круглую область, в центре которой будет находиться Эйфелева башня. На приведенной здесь карте видимой части Вселенной самый далекий феномен, доступный для наблюдения, – это реликтовое излучение, рассредоточенное по окружности видимой части Вселенной (наблюдавшееся спутником WMAP). В пределах этого круга в виде точек показаны 126 594 объекта – это галактики и квазары из Слоановского цифрового обзора неба. Две веероподобные области, усеянные точками, – это поперечные сечения зон, охваченных обзором. Пустые «лопасти» – это зоны, не охваченные обзором. На картинке заметна Великая Стена Слоана, о которой шла речь в главе 15. Квазары удалены от нас сильнее, чем галактики. Наш Млечный Путь – лишь точка в центре картинки, а расположение ближайших звезд и планет на этом изображении просто не просматривается, настолько они микроскопические.

Та карта, которую мы действительно хотим начертить, может напоминать знаменитую обложку журнала New Yorker, выполненную Солом Стейнбергом, которая называется «Взгляд на мир с 9-й авеню». Здесь показана картина мироздания с точки зрения нью-йоркца. На переднем плане возвышаются манхэттенские здания. Река Гудзон маленькая, а «Джерси» – просто полоска с противоположной стороны картинки.

Рис. 22.2. Экваториальное поперечное сечение видимой части Вселенной. Мы находимся в центре той области, которую можем наблюдать. Все точки соответствуют галактикам (зеленые) или квазарам (оранжевые), при этом их красное смещение измерено при помощи телескопа «Слоановский цифровой обзор неба». Центральная часть этой схемы уже встречалась нам ранее, она показана на рис. 15.4. По периметру наблюдаемой части Вселенной находится космический микроволновый фон. Иллюстрация сделана по материалам статьи J. Richard Gott, Robert J. Vanderbei, Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011