Сегодня физики-теоретики расходятся в оценке сроков жизни связанных нуклонов. Одно время можно было встретить предсказание о том, что большинство протонов распадется примерно через тридцать так называемых космологических декад – 1030 лет. Число очень большое, ведь даже переведенное в миллиардолетия, оно содержит более двадцати нулей. Однако в последний период превалирует точка зрения, возникшая из ряда экспериментов с элементарными частицами, разгоняемыми до гигантских энергий на ускорителях: время жизни протона может даже превысить тридцать две космологические декады.
Если принять во внимание возраст нашего мира в 13,7 миллиардолетия, то сама мысль об экспериментальной проверке времени жизни микрочастиц, оцениваемой в десятки космологических декад может показаться очень странной. Однако тут определенные надежды дает теория радиоактивного распада, согласно которой все элементарные частицы, включая и протоны, не живут в течение какого-то строго определенного времени, по прошествии которого все они одновременно распадаются.
На самом фундаментальном уровне многие физические теории имеют неотъемлемый закон, запрещающий распад протонов, даже несмотря на то что в результате этого распада они могли бы перейти в состояние с более низкой энергией. Кратко этот закон можно сформулировать так: барионное число всегда сохраняется. Протоны и нейтроны состоят из обычного вещества, которое мы зовем барионным. Каждый протон или нейтрон содержит одну единицу барионного числа. Частицы типа электронов и позитронов имеют нулевое барионное число, равно как и фотоны, частицы света. Таким образом, если протон распадается на позитроны, в этом процессе происходит потеря барионного числа.
Долгое время предполагалось, что всеобщая стабильность атомарных образований объясняется существованием электрической биполярности, когда аннигиляция зарядов протона и электрона нарушила бы общий зарядовый баланс. Впоследствии данные идеи были развиты в концепцию «барионного числа», которое так же, как и энергия с электрическим зарядом, должно сохраняться в любых превращениях микрочастиц. Уточним, что барионами считают обширное семейство микрочастиц, включающее вместе с протоном такие «тяжелые» частицы (по-гречески тяжесть – «барис»), как нейтрон и нестабильные микрочастицы гипероны. Условно считается, что все барионы обладают барионным числом «+1». В любой атомарной структуре барионное число составляет общую сумму всех барионных чисел «комплектующих» микрочастиц. Следовательно, распад протона был бы переходом от единичного барионного числа к нулевому ансамбля каких-нибудь легких частиц, что категорически запрещено барионным принципом сохранения.
Глава 5. Теория Всего
Мечту Эйнштейна о создании единой теории Вселенной осуществить пока не удалось, но успехи последних лет показывают, что мы на верном пути. Конечно, вряд ли кто-то из ученых станет загадывать, когда придет удача, но большинство их них уверено, что когда-нибудь это случится.
Наша же цель отличается от той, которую поставил перед собой Эйнштейн. Всем ясно, что он опередил свое время, тогда еще многое оставалось непонятным. Ученые не знали многих типов элементарных частиц, не знали о симметрии в природе, о калибровочных теориях и очень мало о Большом взрыве, с которого все началось.
Б. Паркер.
Мечта Эйнштейна: В поисках единой теории строения Вселенной
Среди первоочередных нерешенных задач фундаментальной науки выделяется грандиозная проблема создания Теории Всего. Величайший в истории науки мыслитель Альберт Эйнштейн первым парадоксально соединил пространственно-временные свойства нашего континуума, открыв свою общую теорию относительности и наметив путь объединения всех известных взаимодействий с силами всемирного тяготения. В теории гравитации Эйнштейна вблизи любого материального тела или энергии искривляется само пространство-время, так что траектории частиц проходят по его рельефу, словно движутся в гравитационном поле.
В большинстве случаев противоречивые требования теории относительности и квантовой механики настолько взаимно малы, что ими легко пренебрегают. Однако и здесь есть исключения, например, при сильном искажении пространства-времени эффекты квантовой гравитации могут быть весьма существенны.
Прежде всего это касается объединения квантовой механики и теории относительности, например так, как это происходит в астрономической науке квантовой космологии. В идеале будущая объединенная теория должна связать между собой все силы мироздания с помощью единой системы уравнений или даже просто одного уравнения. Вся трудность в том, что теория относительности описывает общую структуру пространства-времени, а квантовая механика – поведение субатомных микрочастиц. Именно поэтому теории во многом противоречат друг другу.
После первого шага в объединении всех частиц и сил в квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности, будет необходимо как-то связать гравитацию и квантовую механику. Каждый специалист видит здесь свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для разработки математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.
Мемориал Альберта Эйнштейна (Национальная академия наук, Вашингтон, США)
Изначально в тех же струнных моделях видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков. Но будущее научных поисков трудно прогнозируемо, и в конце прошлого века суперструнные построения в работах видных физиков-теоретиков обрели второе дыхание.
Как любил подчеркнуть выдающийся физик прошлого столетия Ричард Фейнман, главная причина в том, что мы пока не знаем всех законов природы, которые можно было бы свести в единую теорию.
Нерешенная задача создания Теории Всего порождает вполне законный вопрос: а есть ли вообще шансы хоть в очень далеком будущем, когда станут известны новые законы природы, создать математически стройную теорию, объединяющую не только все известные частицы и силы, но и все существующие физические теории? Ответ на него совсем неочевиден, его нельзя отдавать философам, которые могут все окончательно запутать.
Большинство физиков скромно рассматривают свои любимые теории как не более чем модели реальности, не претендующие на полноту ее описания.
Глава 6. М-браны миров
…Эти измерения свернуты в крохотные петли, спрятанные в ткани мироздания, а их причудливая геометрия может содержать ответ на некоторые из самых глубоких вопросов, когда-либо ставившихся учеными. Хотя некоторые из новых понятий являются трудноуловимыми, мы увидим, что их суть можно понять с помощью вполне осязаемых аналогий. А будучи понятыми, эти идеи дадут совершенно иной, поразительный взгляд на нашу Вселенную.
Б. Грин.
Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории
Выдающийся физик-теоретик Стивен Хокинг в своем научном бестселлере «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» так описывал квантовую реальность нашего мира: