Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

похоже, что решение данной проблемы может предложить какое-то глубокое проникновение в природу Вселенной. Немного глубже в нашей структуре расположены аминокислоты, которые, будучи сплетены вместе в витки и полоски, образуют крайне важные белки, управляющие процессами жизни (Глава 2). Молекулы аминокислот встречаются в двух формах, одна из которых является зеркальным отражением другой. И это факт жизни, что, по крайней мере на Земле, аминокислоты, которые встречаются в наших белках, имеют одинаковое направление закручивания (в соответствии с некоторым техническим критерием, они являются леворукими). Никто не знает, почему. Возможно, это чистая случайность: отдаленный общий предок всех форм жизни пользовался лишь леворукими аминокислотами, и все живые твари унаследовали эту левизну. Кое-кто, однако, умозаключил, что преобладающая леворукость аминокислот связана с космической кособокостью Вселенной, при которой именно леворукие аминокислоты более устойчивы, и поэтому имеют преимущество перед своими праворукими зеркальными отражениями. Этого в действительности никто не знает, но было бы определенно привлекательным, если бы эту цепочку асимметрий можно было бы проследить до чего-нибудь фундаментального. Это очень помогло бы в разрешении дискуссии о том, имеют ли белки организмов, предположительно существующих где-то еще во Вселенной, ту же самую асимметрию, что и организмы Земли.

Что мы имеем в виду, говоря о кособокости Вселенной? В абсолютно симметричной Вселенной события, наблюдаемые в зеркале, были бы неотличимы от своих оригиналов, и мы никогда не могли бы сказать, смотрим мы непосредственно на Вселенную или на ее отражение в зеркале. Техническим термином для этого идеального случая является сохранение четности. Оказалось, однако, что результаты некоторых экспериментов, выполненных в 1957 г., можно отличить от их зеркальных отображений, поэтому четность не сохраняется. Вселенная не совпадает со своим отражением, она пространственно скособочена.

Тот факт, что Вселенная пространственно кривобока, создает возможность того, что она перекошена и во времени. В симметричной относительно времени Вселенной законы природы для Вселенной, движущейся, назад во времени, будут такими же, как для Вселенной, движущейся вперед. В этом случае мы не смогли бы сказать, начала ли Вселенная свое существование в нулевой момент времени и движется вперед, или она начала существование в нулевой момент времени и движется во времени назад. Более специальным и более мелкомасштабным определением является следующее: столкновение двух частиц, дающее в результате новые частицы, эквивалентно обращенному процессу, в котором эти результирующие частицы сталкиваются и порождают исходные частицы. Техническим термином для этой симметрии является выражение Т-инвариантность. Эксперименты, выполненные в 1964 г., показали, однако, что в зоопарке частиц есть один маленький и тихий уголок[27], в котором направление времени имеет значение. Этот перекос тесно связан с асимметрией вещества и антивещества, возникшей в начальный момент истории Вселенной. Мы продолжим эту историю в главе 8.

Эксперименты, таким образом, показывают, что Вселенная перекошена в пространстве и во времени. Но этот перекос не является просто случайной асимметрией, поскольку перекос пространства связан с перекосом времени. Чтобы понять эту связь, мы должны знать, что существует третий тип кособокости, называемый зарядовой сопряженностью, в котором каждая частица заменяется своей античастицей. Мы можем ожидать, что Вселенная, в которой античастицы и частицы поменялись местами, будет неотличима от исходной версии, Но это не так. Слабое взаимодействие неинвариантно относительно зарядовой сопряженности, поэтому Вселенная, в которой вещество заменено на антивещество, будет вести себя не так, как ее прототип. (Эта разница дает нам шанс опознать область антиматерии до совершения туда полета, который закончился бы катастрофой.)

Несмотря на эти нарушения симметрии, оказывается, что Вселенная симметрична (насколько мы можем знать), если мы одновременно меняем частицы на античастицы (обозначим это преобразование буквой C), отражаем Вселенную в зеркале (обозначим это буквой P) и обращаем направление времени (что обозначается как T). То есть в соответствии с теоремой Вольфганга Паули, Вселенная CPT-инвариантна. Итак, Вселенная перекошена относительно отдельных преобразований, но имеет совершенную форму, если мы думаем в терминах комбинированных операций.

Важнейший вопрос, которого нам следует также коснуться, это конечная природа всех частиц, которые мы выкатили на сцену. В настоящее время в физике элементарных частиц огромные усилия вкладываются в теоретический проект, который сможет дать ответ, но такой, который никогда нельзя будет прямо проверить в эксперименте. Возвращаясь к началу предыдущей главы, заметим, что греки, делившие в своем воображении вещество и размышлявшие о том, как далеко они могут зайти по этому пути, молчаливо предполагали, что деление закончится на мельчайших сущностях, подобных точкам. Для них это были атомы; а мы представляем себе точками бесструктурные, как кажется, лептоны и кварки. Но предположим, что они не таковы. Предположим, что конечный предел деления является не точкой, а линией. Это начальный пункт теории струн[28] , которая обещает пролить свет на многие из поднятых нами вопросов. Теория струн является расширением аргументации, связанной с симметрией, поскольку она, в дополнение к уже рассмотренным нами жестким геометрическим преобразованиям, включает в себя топологию пространства-времени, его протяженность и возможность того, что оно изрешечено дырами.

В теории струн мы считаем конечным строительным блоком вещества маленький кружок, подобный струне. Эта струна очень мала: радиус круга имеет порядок планковской длины (около 10⁻³⁵ м, глава 7). «Очень» в этом случае означает именно «очень». Если увеличить ядро до размера Земли, струна будет кругом с радиусом не намного больше, чем радиус первоначального ядра. Эта струна очень туго натянута: ее натяжение эквивалентно натяжению, которое возникло бы, если бы на нее подвесили груз в 10³⁹ тонн, что эквивалентно триллиону Солнц. Речь идет о по-настоящему маленькой и тугой струне.

Тугая струна колеблется. Каждая из различных мод ее колебаний, согласно теории струн, соответствует фундаментальной частице. Итак, существует струна лишь одного вида, но различные моды ее колебаний соответствуют всем различным частицам, с которыми мы до сих пор встречались (рис. 6.15). Я не имею в виду, что это похоже на увеличение частоты колебаний путем нажатия различных ладов на гитаре: это требует во много раз больше энергии. Даже для того, чтобы возбудить первый обертон, потребовалось бы так много энергии, что она соответствовала бы частице с массой, неизмеримо большей, чем масса любой известной фундаментальной частицы — с массой небольшой бактерии. Но существуют колебания, называемые нулевыми колебаниями струны. В соответствии с квантовой механикой, осциллятор никогда не может находиться в состоянии полного покоя, а всегда обладает по крайней мере малой остаточной энергией, энергией его нулевых колебаний. Просто представьте себе струну, пульсирующую спокойно, как сердце человека, и каждая мода ее пульсации соответствует определенной частице.

Рис. 6.15. Две моды колебаний струны: нулевые колебания разных мод соответствуют разным элементарным частицам.

Когда теория струн впервые была поставлена на обсуждение, она могла дать объяснение только бозонам и столкнулась со следующим затруднением: струна должна была располагаться в пространстве- времени с размерностью двадцать шесть. Это embarrasse de dimensions (затруднение с размерностями) было ослаблено, когда была взята на вооружение суперсимметрия, и теория была распространена на фермионы. При учете ограничений, накладываемых суперсимметрией, оказалось, что струна могла бы процветать в пространстве-времени всего десяти измерений, девять для пространства и одно для времени. Было разработано несколько способов организации этих размерностей, и на сегодняшний день представляется, что эти различные теории могут быть объединены в одну супертеорию в размерности, которой разрешается достигать одиннадцати. Примем это число и предположим, что в теории струн идет речь именно о струнах, колеблющихся в десятимерном пространстве и одномерном времени. Возникающая в настоящее время теория струн в одиннадцати измерениях с более изощренной версией