МИСТЕР  ОБЪЕДИНИТЕЛЬ

Многие годы космос и атом находятся в конфликте. Если кто-то из физиков и может примирить их, так это Стивен Вайнберг. Однажды, когда Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) сидел за рулем своего красного Сатаго, ему в голову пришла хорошая идея, которая впоследствии нашла воплощение в статье «Модель лептонов» на двух с половиной страницах, включая ссылки и благодарности. В 1967 г. на нее мало кто обратил внимание. Однако позднее эта статья стала одной из наиболее цитируемых работ по физике и помогла Вайнбергу получить в 1979 г. Нобелевскую премию вместе с Абдусом Саламом (Abdus Salam) и Шелдоном   Глэшоу   (Sheldon   Glashow).

На этих двух с половиной страницах Вайнберг показал, что два из четырех известных фундаментальных взаимодействий элементарных частиц - электромагнитное и слабое, кажущиеся на первый взгляд совершенно различными, могут быть лишь разными проявлениями одного «электрослабого» взаимодействия. Данная теория предсказывала существование еще одной нейтральной частицы в числе промежуточных бозонов, осуществляющих слабое взаимодействие. И Вайнберг показал, что природная симметрия электромагнитного взаимодействия оказывается скрытой, или, как говорят физики, «спонтанно нарушенной», из-за чего мы и воспринимаем электромагнитное и слабое взаимодействия как различные. Процесс нарушения симметрии порождает такие частицы, как кварки с ненулевой массой покоя.

ОБЗОР: КОСМИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ

  • Создание единой теории материи - главная цель современной физики, и очень немногие физики внесли в ее создание такой вклад, как Стивен Вайнберг из Техасского университета в Остине.
  • В 1960-х гг. Вайнберг помог разработать устои Стандартной модели: объединение электромагнитного и слабого взаимодействий и теорию сильного взаимодействия.
    С тех пор он продолжает работать над завершением создания единой теории, внеся в частности вклад в создание теории струн, включающей в себя единственное фундаментальное взаимодействие, не охваченное Стандартной моделью, - гравитационное.
  • Кроме того, Вайнберг приложил физику элементарных частиц к космологии. Его модель, объясняющая природу темной энергии в понятиях параллельных вселенных, - наиболее широко цитируемый аргумент в пользу существования Мультивселенной.

Стивен Вайнберг внес вклад и в теорию третьего вида фундаментальных взаимодействий - сильного. Сегодня обе теории составляют основу наиболее признанного объяснения материального мира - Стандартной модели физики элементарных частиц.

Вайнберг продолжает исследовать глубинные тайны природы, предлагая теории, которые выходят за рамки Стандартной модели и дают надежду на создание полной единой теории, которая будет охватывать не только электромагнитное и ядерные взаимодействия, но и гравитационное. Он выполнил одну из первых работ в области теории струн - наиболее вероятного кандидата на роль единой теории. Кроме того, Вайнберг пишет книги для широкого круга читателей. Последняя из них - сборник эссе под названием Lake Views («Виды на озеро»). Редакция журнала Scientific American попросила физика Амира Акселя из Бостонского университета поговорить  со   Стивеном  Вайнбергом о перспективах этих теорий, как они представляются сегодня, когда на Большом адронном коллайдере (БАК) - гигантском ускорителе в CERN близ Женевы - ведутся поиски бозона Хиггса и других частиц.

-              Большой адронный коллайдер работает уже более полугода и вызывает повышенный интерес. Некоторые даже считают, что полученные на нем данные станут предпосылкой для революции, подобной произошедшей в XX в. после создания квантовой теории и теории относительности.  А каково  ваше  мнение?

-              Я думаю, ожидания сильно завышены. Не исключено, что будут получены данные, способные произвести переворот в нашем представлении о физике, но оснований для этого нет. Причиной революции такого масштаба может быть лишь что-то совершенно непредвиденное, а значит,   я   этого   не   могу   ожидать!

Мы пытаемся сделать следующий шаг за рамки Стандартной модели и достичь точки, где сможем уверенно говорить о том, что происходило на ранних этапах образования Вселенной. На это, вероятно, потребуется время. Кроме того, мы надеемся объединить данные, чтобы получить теорию, охватывающую все частицы и все взаимодействия. И пока нам неизвестно,  как она будет выглядеть.

Я думаю, что когда мы достигнем действительно всеобъемлющего понимания природы на самом фундаментальном уровне, оно проникнет во все общество. Теория будет, вероятно, очень насыщена математикой, и широкие слои населения не скоро воспримут ее - ведь даже ученые долго не понимали теорию Ньютона, хотя в итоге ньютоновская картина мира оказала огромное влияние на общее представление людей о мире и человеческой жизни. Она оказала воздействие на экономику, биологию, политику и религию. Я полагаю, что если мы действительно создадим всеобъемлющую теорию природы, может произойти нечто подобное.

Мне представляется, что наша картина мира охватывает все больше его сторон, и то, что раньше казалось необъяснимым, например природа сил, удерживающих частицы внутри атома, сегодня хорошо изучено. Но на месте прежних уже появились новые вопросы - скажем, почему частицы в стандартной модели имеют именно такие свойства. Тайны, получившие свое объяснение, еще долго будут сменяться новыми. Хотелось бы высказать предположение, что мы в итоге придем к ситуации, когда новых загадок такого рода уже не будет. И это станет поистине примечательной поворотной точкой в интеллектуальной   истории   человечества.

Компактный мюонный соленоид, один из детекторов Большого адронного коллайдера, предназначен для поиска бозона Хиггса, существование которого предсказал Стивен Вайнберг

-              Частицу Хиггса часто называют главной целью Большого адронного коллайдера, подразумевая, что на коллайдере Теватрон лаборатории им. Ферми она не будет открыта. Насколько зависят от этой частицы электрослабая унификация и стандартная модель?

-              Я бы сказал, что они полностью зависят от допущения о нарушении симметрии при электрослабом взаимодействии. Но если вы спросите, почему нарушается симметрия, то ответа на этот вопрос пока нет. Механизм нарушения симметрии, входящий в нашу с Саламом теорию электрослабого взаимодействия, требует существования некой новой частицы, получившей название частицы (бозона) Хиггса. Наша простая картина позволила предсказать соотношение масс промежуточных бозонов, которое, похоже,   с   успехом   оправдалось.

 

Но есть и другая возможность: что симметрия нарушается неизвестными пока силами без участия частицы Хиггса. Такие новые силы должны быть очень большими, гораздо больше известных сил сильного взаимодействия. Ленни Зускинд (Lenny Susskind) и я не зависимо работаем над созданием теории, которой решили дать название «Техниколор» (Technicolor). Она должна дать те же предсказания масс промежуточных бозонов, что первоначальная теория электрослабого взаимодействия, но имеет трудности при объяснении масс кварков. Над теорией «Техниколор» продолжают работать и некоторые другие теоретики, которые верят, что она перспективна. И это возможно. Тогда БАК должен найти ей подтверждения. Силы, предусматриваемые теорией «Техниколор», породят целый зоопарк новых частиц. Поэтому, даже если БАК и не обнаружит бозон Хиггса, он может выявить нечто другое, играющее ту же роль, например «Техниколор». И действительно, можно показать, что если совсем не вводить никаких новых частиц, мы придем к математическим противоречиям.

-              Еще один принцип, который физики надеются подтвердить с помощью БАК, - это суперсимметрия, идея которой состоит в том, что «частицы сил», про межуточные бозоны, и частицы вещества, электроны и кварки, глубоко взаимосвязаны. Некоторые физики убеждены в существовании суперсимметрии не меньше, чем Эйнштейн был уверен в своей теории относительности.   Вы   тоже   так   думаете?

-              Нет. Частная теория относительности очень хорошо согласовывалась со всем, что уже было известно из теории и экспериментов, - с электромагнитной теорией Максвелла и с тем, что никто не смог обнаружить «эфир», в существование которого верили люди. И достанься мне счастье создать в 1905 г. частную теорию относительности, я бы, как и Эйнштейн,
не    сомневался    в    ее    верности.

В отношении суперсимметрии у меня такой уверенности нет. У нее есть ряд небольших достижений. Она позволила уточнить предсказания значений ключевых параметров Стандартной модели и предоставила естественных кандидатов на роль частиц темной материи (см. Тродден М., Фэн Дж. Темные миры). И у нее есть прекрасная черта - это единственный мыслимый вид симметрии, который позволяет объединить такие частицы, как промежуточные бозоны с электронами.   Но   это   неубедительно.

-              Вы работаете над антропным принципом, идеей, что наша Вселенная не имеет более глубокого объяснения, чем то, что мы живем в особой обитаемой части более крупной области. В частности вы утверждаете, что антропный принцип дает наилучшее объяснение плотности темной энергии, таинственного фактора, который заставляет ускоряться расширение Вселенной. Можете вы что-нибудь рассказать об этом?

-              Мы много рассуждаем о вещах, которые считаем фундаментальными, таких как массы частиц, различные виды сил и тот факт, что мы живем в трех пространственных и одном временном измерениях. Однако возможно, что все это определяется лишь существующими условиями. Вселенная может быть гораздо более обширной, чем мы себе представляем, и содержать нечто большее, чем последствия Большого взрыва. Могут существовать различные «части» Вселенной, имеющие совершенно иные свойства; в них то, что мы называем законами природы, может быть совершенно другим. Отличными могут быть даже число измерений пространства и времени. Должен существовать какой-то основной закон, описывающий все сущее, но мы можем быть гораздо дальше от его открытия, чем нам представляется сегодня.

Когда я впервые написал об этом в 1987 г. (что остается верным и сегодня), я был открыт для восприятия различных представлений о том, что Вселенная может состоять из частей, в которых такие свойства, как плотность темной энергии, могут быть разными. Одно из представлений - теория хаотической инфляции Вселенной Андрея Линде, согласно которой в разное время в разных местах происходило много больших взрывов, и каждому из них соответствовали свои значения таких вещей, как плотность темной энергии.

Как объясняет Стивен Хокинг (см.: Млодинов Л., Хокинг С. Не уловимая единая теория всего // ВМН, № 11-12, 2010 – скоро у нас на сайте), Вселенная может представлять собой суперпозицию квантовых состояний подобно знаменитому коту Шредингера. Как этот кот может находиться одновременно в двух состояниях, в одном из которых жив, а в другом мертв, так и Вселенная может пребывать одновременно в нескольких состояниях. В том состоянии, где кот жив, он знает, что жив, а в том состоянии, где он мертв, он ничего не знает. Подобным образом могут существовать такие состояния Вселенной, в которых живут ученые, исследующие то, что представляется им всей Вселенной, а могут быть и другие, где Вселенная, воз можно, слишком мала или проходит свою историю слишком быстро и где нет ученых, которые замети ли бы, как выглядят эти состояния.

Антропные аргументы предсказывают, что для возможности образования галактик плотность темной энергии должна быть достаточно малой, но не намного меньше, чем в нашей Галактике, поскольку галактики с намного меньшей плотностью темной энергии редки. Расчеты, которые я провел в 1998 г. совместно с астрофизика ми Хьюго Мартелом (Hugo Martel) и Полом Шапиро (Paul R. Shapiro) из Техасского университета в Остине, привели к выводу, что темную энергию можно будет обнаружить в ближайшее время только при условии, что она достаточно велика. Вскоре астрономы ее обнаружили.

-              Вы связываете два сообщества физиков: тех, кто занимается космологией и общей теорией относительности, и тех, кто посвятил себя физике частиц и квантовой теории. Думаете ли вы, что ваш опыт в обеих этих областях поможет их объединить?

-              Пока я не вижу направления для такого объединения. Разумеется, я очень хотел бы найти его. У меня есть некоторые идеи о возможных путях этого объединения, основанные на опыте работы в области физики элементарных частиц. Но говорить о том, имеют ли эти идеи отношение к реальному   миру,   еще   слишком   рано.

Часто полагают, что теория струн - единственная возможность избавиться от бесконечностей в квантовой теории гравитации, но есть альтернативы, основанные на квантовых теориях поля того же общего рода, который используется в Стандартной модели и который я называю асимптотической безопасностью. При больших энергиях интенсивность сил стремится к некоему конечному значению, что предохраняет их от неограниченного роста, обеспечивая «безопасность».

Долгое время эта идея выглядела бесперспективной, поскольку показать, что теории асимптотически безопасны или нет, довольно трудно. Я провел некоторые предварительные расчеты, которые, по моему мнению, обнадеживают, но дело шло с большим трудом, и я переключился на другие темы. Затем незадолго до 2000 г. тему подхватили ряд ученых в Европе. Они подтвердили асимптотическую безопасность в различных приближениях и показали, что эти теории математически определены так же хорошо, как Стандартная модель.

-              Как отличаются эти подходы от теории струн?

-              Они ей противоположны. В теории струн вы отказываетесь от стандартной квантовой теории поля и изобретаете нечто новое. Асимптотическая безопасность исходит из положения, что хорошая квантовая теория, вроде той, над которой мы работали 60 или 70 лет, - это все, что нам нужно.

Я не берусь решительно утверждать, что асимптотическая безопасность - именно тот путь, по которому следует идти. Если окажется, что истинна теория струн, я не удивлюсь. Она математически красива и вполне может быть правильным решением. Асимптотическая безопасность - всего лишь возможность, достойная серьезного исследования. До сих пор ни один из подходов не привел к сколько-нибудь серьезному прорыву, такому как расчет математических параметров Стандартной модели, т.е. чисел, которые модель принимает как данность без реального объяснения. Истинной проверкой будет, например, выяснение того, почему отношения масс частиц именно таковы, каковы они есть. Рассмотрение этих масс несколько напоминало изучение древних текстов вроде линейного письма А: у вас есть весь текст, но вы не знаете, о чем он.

-              Как вы находите время писать  о  чем-то,   кроме  физики?

-              Я люблю физику, и действительно не хотел бы вернуть время вспять, чтобы выбрать иной жизненный путь. Но это очень холодная и замкнутая профессия, особенно для теоретиков вроде меня, которые мало работают совместно с другими. Работа, которой я занимаюсь, никак не связана с повседневными заботами. Человеческие интересы и чувства не проникают в нее. Понять меня может лишь очень узкий круг профессионалов.

Чтобы покинуть свою башню из слоновой кости, я люблю думать о других вещах и писать о них. Кроме того, как большинство ученых, я заинтересован в том, что бы общество поддержало мою работу. А если мы не будем объяснять людям, чем мы занимаемся и что надеемся сделать, заручиться их поддержкой будет нелегко.

 Перевод: И.Е. Сацевич

Интервью: Амир Аксель


ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  • Dreams of a Final Theory. Steven Weinberg. Vintage, 1994.
  • The Asymptotic Safety Scenario in Quantum Gravity. Max Niedermaier and Martin Reuter in Living Reviews in Relativity, Vol. 9, No. 5; 2006.www.livlngreviews.org/lrr-2006-5
  • Lake Views: This World and the Universe. Steven Weinberg. Belknap Press, 2010.
  • Present at the Creation: The Story of CERN and the Large Hadron Collider. Amir D. Aczel. Crown, 2010.

13 Мая 2011, 6:26    Oleg    3879    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.