Что же означает слово адрон? Слово ἁδρός в переводе с греческого означает "мускулистый" или "крепкий". При этом слово "крепкий" относится не к самой частице – разбить протон гораздо проще, чем, например, электрон, – а к силам, действующим между адронами. Одним из наиболее ранних достижений физики элементарных частиц было обнаружение четырёх типов взаимодействий между ними. Основным различием этих взаимодействий является сила, с которой частицы действуют друг на друга. Самым слабым типом взаимодействий между частицами является гравитационное. Следующим по силе идёт так называемое слабое взаимодействие, затем – давно знакомое нам электромагнитное и, наконец, сильное взаимодействие, называемое иногда ядерным.
Вам может показаться странным, что наиболее известное из всех взаимодействий – гравитация – является самым слабым. Но задумайтесь на мгновение. Гравитации требуется задействовать всю массу Земли, чтобы держать нас на её поверхности. Сила, с которой взаимодействует с Землёй средний человек, стоя на её поверхности, составляет всего 70 килограммов. Разделите эту силу на количество атомов в теле человека, и станет очевидным, что сила, приходящаяся на один атом, ничтожна.
Но если электрические силы настолько сильнее гравитационных, почему же они не выкидывают нас прочь с поверхности Земли или, наоборот, не размазывают по ней? Гравитационные силы, действующие между любыми двумя объектами, всегда являются силами притяжения (если не учитывать отталкивающую составляющую, за которую ответственна космологическая постоянная). Каждый электрон и каждое атомное ядро нашего тела притягивают каждый электрон и каждое атомное ядро Земли. Это приводит к появлению ощутимой суммарной силы притяжения, несмотря на то что силы, действующие между отдельными частицами, крайне малы. В противоположность гравитации электрические силы зависят от знака зарядов и могут быть как силами притяжения, так и отталкивания. Разноимённые заряды, например электрон и протон, притягиваются, а одноимённые, скажем два электрона или два протона, – отталкиваются. Но и наше тело, и вся Земля состоят из положительных и отрицательных зарядов, число которых практически одинаково, в результате чего электрические силы притяжения полностью компенсируют силы отталкивания. Но предположим, что мы временно удалили все электроны из наших тел и из всех атомов Земли. Оставшиеся положительные заряды будут отталкиваться с силой, во много раз превосходящей силу их взаимного гравитационного притяжения. На сколько превосходящей? Примерно в 10 раз – единица и сорок нулей! Под действием такой силы вы будете мгновенно выкинуты с поверхности Земли практически со скоростью света. По правде говоря, такое никогда не может случиться. Положительные заряды в наших телах будет отталкиваться друг от друга настолько сильно, что мы будем мгновенно разорваны в пух и прах. И то же самое произойдёт с Землёй.
Электрические силы не являются ни самыми сильными, ни самыми слабыми из негравитационных сил. Большинство обычных частиц взаимодействуют посредством так называемого слабого взаимодействия. Хорошим примером являются нейтрино, участвующие только в слабых (не считая гравитационных) взаимодействиях. Слабые силы на самом деле не так уж и слабы, но они действуют только на очень малых расстояниях. Два нейтрино должны оказаться невероятно близко друг от друга, чтобы провзаимодействовать, – примерно на расстоянии одной тысячной диаметра протона. Если они находятся на таком расстоянии, то величина слабого взаимодействия между двумя нейтрино будет примерно такой же, как и величина электромагнитного взаимодействия между двумя электронами, но в обычных условиях сила слабого взаимодействия составляет лишь небольшую часть от силы электромагнитного. Слабые силы настолько малы, что рождаемые в недрах Солнца нейтрино легко проходят сквозь всю толщу Солнца и сквозь Землю без сколько-нибудь заметного возмущения. На самом деле они могут пройти через слой свинца толщиной в один световой год.
Наконец, мы подошли к самому сильному из всех взаимодействий, которые удерживают вместе частицы, составляющие атомное ядро. Ядро состоит из электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. В ядре нет никаких отрицательных зарядов. Почему же оно не взрывается? Потому что протоны и нейтроны притягиваются друг у другу с силой, примерно в 50 раз превышающей их электростатическое отталкивание. Кварки, составляющие отдельные протоны, притягиваются друг к другу с ещё большей силой. Почему же протоны и нейтроны наших тел не притягиваются с такой же огромной силой к протонам и нейтронам Земли? Потому что ядерные силы, так же как и слабые, являются короткодействующими. Они способны преодолеть электрическое отталкивание протонов, только когда протоны находятся близко друг от друга. Стоит частицам удалиться одна от другой более чем на пару диаметров протона, и сильное взаимодействие становится незначительным. В основе сильного взаимодействия лежат силы, действующие между кварками – элементарными частицами, из которых состоят адроны.
Я часто испытываю дискомфорт, своего рода смущение, когда мне приходится рассказывать о физике элементарных частиц "мирянам". Со стороны она выглядит мусорной свалкой, разнородной коллекцией фундаментальных частиц, массы которых не подчиняются никаким закономерностям; и, управляя всем, торчит четвёрка сил некстати, в причинах коих сил ни смысла нет, ни стати. Является ли Вселенная "элегантной", как утверждает Брайан Грин? Насколько я могу судить, нет. Во всяком случае, глядя на Законы Физики элементарных частиц. Но в контексте бесконечного разнообразия Мегаверсума существует некоторая закономерность: все силы и большинство элементарных частиц являются абсолютно необходимыми. Стоит хотя бы немного изменить любой из законов или любое из свойств любой частицы, и жизнь в том виде, в каком мы её знаем, станет невозможной.
Происхождение теории струн
Теоретическая физика высоких энергий в 1960-х годах оперировала весьма необычной идеологией. В чём-то эта идеология созвучна идеям физиолога Б. Ф. Скиннера, гуру бихевиоризма, утверждавшего, что только внешнее поведение человека может служить объективным материалом для изучения человеческого мышления. Согласно Скиннеру, физиолог не должен иметь дела с внутренним психическим состоянием человека. Он зашёл настолько далеко, что утверждал, будто такой вещи, как внутренний психологический мир, вообще не существует. Задача физиолога состоит в наблюдении, измерении и фиксации внешнего поведения субъекта без каких бы то ни было попыток судить о его внутренних чувствах, мыслях или эмоциях. Для бихевиориста человек представляет собой чёрный ящик, преобразующий сигналы от органов чувств на входе в поведение на выходе.
Физический бихевиоризм называется теорией S-матрицы. В начале 1960-х, когда я ещё был студентом, многие продвинутые теоретики в Беркли считали, что физики не должны пытаться объяснить внутреннее устройство адронов, а вместо этого рассматривать набор законов адронной физики как чёрный ящик, называемый матрицей рассеяния, или просто S-матрицей. Подобно бихевиористам, защитники S-матрицы требовали, чтобы теоретическая физика строго ограничивалась областью экспериментальных данных и не занималась спекуляциями относительно ненаблюдаемых (как тогда считалось) явлений, будто бы имеющих место на абсурдно малых расстояниях, например внутри протона.
На вход чёрного ящика подавался специфический набор частиц, сталкиваемых друг с другом. Это могли быть протоны, нейтроны, мезоны и даже атомные ядра. Каждая частица характеризовалась импульсом, спином, электрическим зарядом и другими индивидуальными свойствами. Эти частицы исчезали внутри метафорического чёрного ящика, а затем на выходе регистрировался другой набор частиц – результат столкновения, опять же каждая со своими индивидуальными свойствами. Догма Беркли запрещала заглядывать внутрь чёрного ящика в попытке узнать устройство его механизма. Всё, что мы имели, – только исходный и конечный наборы частиц. Этот подход полностью соответствовал тому, чем занимались экспериментаторы на ускорителях, имея пучки высокоэнергетичных частиц на входе и данные детекторов, регистрирующих продукты столкновений, на выходе.
S-матрица – это просто таблица квантово-механических вероятностей. Вы имеете входные данные, а S-матрица сообщает вам вероятности того, что вы можете получить на выходе. Таблица вероятностей зависит от направлений и энергий входящих и выходящих из чёрного ящика частиц, и, согласно превалирующей идеологии середины 1960-х годов, теория элементарных частиц должна быть строго ограничена изучением зависимости S-матрицы от этих переменных. Всё остальное было запрещено. Идеологи решили, что они лучше знают, как лучше для науки, и превратились в стражей научного пуризма. Теория S-матрицы была здоровым напоминанием о том, что физика является эмпирической наукой, но, как и в случае с бихевиористами, философия S-матрицы завела их слишком далеко. По мне, это всё походило на засовывание удивительного цветного мира в серый унылый стерилизатор бухгалтерских таблиц. И я взбунтовался. Но у меня не было подходящей для бунта теории.
В 1968 году молодой итальянский физик Габриэле Венециано жил и работал в Израиле в институте Вейцмана. Он не был идеологически подкован в вопросах теории S-матрицы, но его занимала одна имеющая отношение к S-матрице математическая задача. Существовали определённые технические требования, которым должна удовлетворять S-матрица, но никто до того времени не мог написать ни одного удовлетворяющего этим требованиям математического выражения. Венециано пытался найти хотя бы одно. Его попытка завершилась блестящим успехом. Он получил чрезвычайно аккуратный результат, известный сегодня как "амплитуда Венециано". Но это не было изображением внутреннего строения каких-то частиц или визуализацией процессов столкновения. Амплитуда Венециано была красивым математическим выражением – элегантной математической таблицей вероятностей.
Процесс открытия теории струн, который в определённом смысле все ещё продолжается, изобиловал поворотами судьбы, предательствами фортуны и интуитивными озарениями. Моё собственное участие в нём началось где-то в конце 1968 или в начале 1969 года. Я начал уставать от проблем элементарных частиц; особенно досаждали мне адроны, концепция которых, казалось, мало что может предложить в плане новых глубоких принципов. Я нашёл метод S-матрицы скучным и начинал подумывать о том, чтобы заняться соединением квантовой механики и гравитации. Соединение общей теории относительности с принципами квантовой механики казалось гораздо более интересной задачей, несмотря на то что все имевшиеся экспериментальные данные касались исключительно адронов. Но как раз в это время меня посетил в Нью-Йорке мой израильский друг Гектор Рубинштейн, который был чрезвычайно воодушевлён работой Венециано.
Сначала я не особо заинтересовался. Адроны были тем, о чём я хотел забыть, но из вежливости я согласился выслушать Гектора.
Гектор был настолько возбуждён, объясняя мне идеи итальянца, что я не вполне улавливал детали. Насколько я мог понять, Венециано придумал формулу для описания того, что произойдёт при столкновении двух адронов. Наконец, Гектор записал уравнение Венециано на доске в моем офисе. Это был финальный аккорд. Уравнение оказалось чрезвычайно простым и имело некоторые особенности, показавшиеся мне подозрительно знакомыми. Я, помню, спросил Гектора, не представляет ли это уравнение описание какой-то очень простой квантово-механической системы, потому что оно выглядело так, будто бы имело отношение к гармоническим осцилляторам. Гектор не знал, какая физическая картина могла бы стоять за этим уравнением, поэтому я просто записал его на листке бумаги, чтобы не забыть.
Я был достаточно заинтригован, чтобы отложить размышления о квантовой гравитации и дать адронам ещё один шанс. Как оказалось, мне не суждено было вернуться к гравитации в течение последующих лет. Я несколько месяцев обдумывал это уравнение, прежде чем увидел то, что стояло за ним в действительности.
Термин гармонический осциллятор применяется физиками ко всему, что способно вибрировать, дрожать, колебаться или вообще совершать периодические движения туда-сюда. Ребёнок, качающийся на качелях, и грузик, колеблющийся на пружине, являются примерами типичных гармонических осцилляторов. Вибрирующая скрипичная струна или даже воздух, через который проходит звуковая волна, – это тоже гармонические осцилляторы. Если колеблющаяся система очень мала, например если это атом или молекула, то её поведение определяется законами квантовой механики, и энергия такого осциллятора может изменяться только дискретными порциями. Я упомянул гармонический осциллятор в беседе с Гектором, потому что уравнение Венециано напомнило мне о математических свойствах квантово-механического гармонического осциллятора. Я представил себе адрон в виде двух грузиков, соединённых пружиной, совершающих гармонические колебания, сближаясь и удаляясь. Я играл с запретным плодом, пытаясь изобразить внутреннее устройство элементарной частицы, и отдавал себе в этом отчёт.
Танталовы муки, которые я испытывал от ощущения близости ответа и невозможности его ухватить, сводили меня с ума. Я испробовал все варианты квантово-механических осцилляторов, пытаясь подобрать такой, который вписался бы в уравнение Венециано. Мне удалось написать уравнения, очень похожие на уравнения Венециано, описывающие разные варианты моделей грузиков на пружинках, но все они не годились. В течение этого периода я потратил много часов собственного времени, работая на чердаке своего дома. Возвращаясь оттуда усталым и раздражительным, я ругался с женой и игнорировал детей. Мне не удавалось выкинуть это уравнение из головы даже во время обеда. И вдруг, в один из вечеров, без всякой уважительной причины на меня на чердаке снизошло озарение. Я не знаю, что вызвало к жизни эту мысль: ещё минуту назад я представлял себе пружину и вдруг увидел вместо неё эластичную струну, натянутую между двумя кварками и имеющую много различных мод колебаний. В одно мгновение я понял, что весь трюк состоит в том, чтобы заменить математическую пружину непрерывной натянутой струной. На самом деле слово струна тогда не пришло мне на ум. Я подумал о резиновом кольце. Если разрезать резиновое кольцо, оно превратится в резинку с двумя свободными концами. На каждый из концов я мысленно поместил по кварку, точнее, кварк на один конец и анти-кварк на другой.
Я быстро сделал несколько расчётов в своей записной книжке для проверки идеи, хотя уже знал, что это будет работать. Это было потрясающе просто. Уравнение Венециано для S-матрицы оказалось точным описанием столкновения двух резинок. Почему эта мысль раньше не приходила мне в голову?
Ничто не приносит такую радость, как новые открытия. Это случается нечасто даже у величайших физиков. Вы говорите себе: "Сейчас я – единственный человек на планете, который это знает. Скоро об этом узнает и остальная часть мира, но на данный момент я – единственный". Я был молод и неизвестен и жаждал славы. Но я не был единственным.
Примерно в то же самое время один физик из Чикаго проделал те же самые вычисления. Ёитиро Намбу был намного старше меня и уже давно являлся одним из самых выдающихся физиков в мире. Он родился в Японии и пришёл в Чикагский университет молодым физиком сразу после Второй мировой войны. Намбу был звездой и обладал репутацией человека, способного разглядеть некоторые вещи намного раньше всех остальных. Позже я узнал, что ещё один физик в Дании обдумывал весьма схожие идеи. Я не буду отрицать, что был разочарован, узнав, что я не одинок в своей "резиновой" теории, но мысль о том, что я оказался в одной компании с Великим Намбу, тешила моё самолюбие.
Современная теория струн занимается недостижимой унификацией квантовой механики и гравитации, о которую тщетно физики бились своей коллективной головой на протяжении большей части XX века. Другими словами, это теория о том, что представляет собой мир в сказочно крошечном масштабе планковских размеров – 10 сантиметра. Как я уже рассказал, она началась с гораздо более скромной задачи – описания внутренней структуры адронов. В следующей главе мы увидим, как теория струн переродилась в гораздо более глубокую фундаментальную теорию, но давайте начнём с её более ранней инкарнации.
Адроны являются очень маленькими объектами, они примерно в сто тысяч раз меньше атомов. Диаметр адрона составляет порядка 10 сантиметра. Для того чтобы удержать кварки на таких малых расстояниях, требуются колоссальные силы. Адронные струны – резинки в моём воображении – хотя и микроскопически малы, тем не менее невероятно прочны. Если бы было возможно прикрепить один конец мезона (одного из типов адронов) к автомобилю, а другой к подъёмному крану, то адронная струна, удерживающая кварки в мезоне, легко выдержала бы вес автомобиля. Относительно масштабов, достижимых в сегодняшних экспериментах, адронные струны не слишком малы. Современные ускорители позволяют исследовать материю на в сто, а то и в тысячу раз меньших расстояниях. Просто для сравнения позвольте мне забежать вперёд паровоза и показать, что представляет собой прочность струны в её современной инкарнации. Для того чтобы удерживать частицы на расстоянии порядка планковской длины, струна должна быть примерно в 10 раз сильнее, чем адронная струна. Одна-единственная струна была бы способна выдержать вес всей нашей Галактики, если мы могли бы каким-то образом сумели сосредоточить всю массу Галактики вблизи поверхности Земли.
Все адроны подразделяются на три семейства: барионы, мезоны и глюболы. Наиболее известными адронами являются нуклоны – обычные протоны и нейтроны. Они принадлежат к первому семейству – барионам. Все барионы состоят из трёх кварков. Кварки соединяются друг с другом, как предполагается, тремя струнами на манер боласа гаучо: три струны соединены концами в центре, а к свободным концам прикреплены три кварка. Единственное, что неверно в аналогии с боласом, – это то, что адронные струны, в отличие от верёвок, эластичны, они могут растягиваться подобно идеальной резиновой нити. Но поскольку обычные протоны и нейтроны представляют собой самую низкоэнергетическую конфигурацию "боласа", то их можно рассматривать как три кварка, соединённых очень короткими нерастяжимыми нитями.