Микромир

Современная физическая картина микромира строится на основе теорий суперсимметрии [5; 21, с. 9–113; 24; 27; 101, с. 17–56; 304], супергравитации [21, с. 121–170; 101, с. 57–68] и суперструн [32; 33; 9; 48; 101, с. 277–304; 351; 369; 370; 551; 791]. Приставка «супер» означает, что при очень высоких энергиях ранней Вселенной существующие ныне первичные элементарные частицы имели так называемых суперпартнеров, отличающихся квантовым числом (свойством), спином , или собственным угловым моментом количества движения, выраженным в постоянной Планка (в кванте действия ħ = h /(2π) = 6,6260688(37) × 10–34Js /(2π) [618], или ħ = h /(2π) = 6,6260755(40) × 10–34Js /2π [650]).

Современная наблюдаемая Вселенная сложена всего из двенадцати кирпичиков вещества – элементарных частиц со спином 1/2, называемых фермионами . В их число входят шесть относительно массивных кварков (с массой до 178,0 ± 4,3 ГэВ (гигаэлектронвольт) у истинного кварка [125, с. 638]) и 6 относительно легких лептонов , состоящих из тройки электроноподобных частиц (электрон , мюон и тау-частица ) и тройки нейтрино (электронное , мюонное и тау-нейтрино с массами от 0,07–11 эВ (электрон-вольт) у электронного нейтрино (рис. 1) [597; 158; 276; 528; 530; 606; 740]).

В первые мгновения после Большого Взрыва, породившего наш мир, когда Вселенная была неимоверно горячей (1033К), элементарные частицы двигались настолько энергично, что сближались друг с другом на минимальные дистанции. От расстояний взаимодействия зависят массы участвующих в нем частиц: чем короче дистанции, тем предельные массы взаимодействующих частиц больше. Поэтому в те времена наши обычные фермионы имели массивных двойников-суперпартнеров со спином 0, т. е. бозонов (см. ниже). Нынешним кваркам отвечали суперкварки, или скварки; нынешним электронам, мюонам и тау-частицам соответствовали сэлектроны , смюоны и стау-частицы , а теперешним нейтрино – три снейтрино . Когда Вселенная расширилась достаточно, чтобы заметно остыть, характерные дистанции взаимодействий между частицами возросли, а массивные суперчастицы перестали проявляться и в известном смысле вымерли. В принципе их можно получить на сверхмощных ускорителях (суперколлайдерах), однако необходимые для этого энергии пока недостижимы.

Рис. 1.Фундаментальные элементарные частицы (суперструны – первоосновы физического микромира). На схеме опущены античастицы, которые отличаются от обычных частиц ориентацией спина (у нейтрино) или знаком электрического заряда (так, античастицей отрицательно заряженного электрона является положительно заряженный позитрон, а W–-бозон является античастицей для W+-бозона). Под каждой частицей в скобках дана ее масса в млрд электрон-вольт (ГэВ).

Физические взаимодействия между фермионами осуществляются бозонами – частицами с целочисленными спинами (0, 1, 2). Массу покоя от частицы к частице передают бозоны Хиггса (спин 0, масса 96–117 ГэВ, или ок. 115 ГэВ [125, с. 639; 640]). Четыре основные силы природы – сильное взаимодействие, электромагнетизм, слабое взаимодействие и гравитация – переносятся, соответственно, глюонами (спин 1, масса 0), фотонами (спин 1, масса 0), Z- и W-бозонами (спин 1, масса 93 и 81 ГэВ) и гравитонами (спин 2, масса 0).

Глюоны склеивают пары кварков в мезоны , а тройки кварков – в нуклоны : протоны (время жизни св. 1031 лет [34, с. 61]) и нейтроны (полураспад 10 мин 16 с [374]), а также нуклоны – в ядра атомов. Фотоны обслуживают все электромагнитные взаимодействия, Z– и W-бозоны – превращения кварков и прочих частиц, а гравитоны – взаимопритяжение частиц и особенно крупных их скоплений, физических тел, так как поодиночке гравитоны предельно слабы и становятся заметны лишь при массовых испусканиях от больших серий фермионов, собранных в массивные физические тела, а именно – в астрономические объекты. При повышенных энергиях проявления слабого и электромагнитного взаимодействий сливаются в электрослабой силе. В эпоху ранней, горячей Вселенной перечисленные бозоны имели суперпартнеров-фермионов со спином 1/2: бозонам Хиггса отвечали хиггсино , фотонам – фотино , глюонам – глюино , а Z– и W-бозонам – зино и вино .

Древним партнером гравитона являлся гравитино со спином 3/2. Суперпартнер последнего, гравифотон со спином 1, стягивает антивещество и расталкивает обычное вещество, т. е. может послужить окном в антигравитацию; ср. [327]. Его суперпартнер, голдстино со спином 1/2, в свою очередь, располагает суперпартнером гравискаляром со спином 0 (т. е. имеется пара фермионов на три бозона).

Агент миллислабого и сверхслабого взаимодействия (5-й силы) аксион (с массой менее 0,001 эВ) обусловливает нарушение симметрии зарядового сопряжения и четности (это – неравноправие вещества и антивещества при некоторых слабых взаимодействиях: например, преобладание рождений позитронов при распадах нейтральных К-мезонов на веществе и антивеществе, хотя в одном из случаев ожидалось бы преобладание электронов, чего не наблюдается). Поэтому существование аксионов объясняет подавляющее преобладание во Вселенной вещества над антивеществом [1; 4; 432; 529; 586; 705; 760].

В реакциях микрочастиц (например, при распаде того же К-мезона) набор исходных и конечных свойств участников событий в сумме должен быть идентичным. Если мы наблюдаем своего рода «перекос» в пользу вещества или антивещества, значит некая легкая и малозаметная частица «унесла» с собой качества (энергии и заряды), недостающие реакции для того, чтобы отвечать ожиданиям, соблюдать законы сохранения и выдерживать равноправие вещества и антивещества. Аналогичные «недостачи» энергии в ядерных реакциях привели в 1930–1933 гг. к открытию легкой частицы нейтрино, ответственной за «унос» энергии. В нашем случае с аномалией вещества и антивещества подозрение в искажении ожидаемого хода событий падает на гипотетический аксион. Будущие эксперименты позволят уточнить предположения физиков на этот счет.

За вычетом бозонов Хиггса, которые могут состоять из пары так называемых техникварков, лишь упомянутые частицы по-настоящему элементарны (хотя высказывается предположение, что электрон состоит из нескольких электрино [242]). Прочие микрообъекты вроде мезонов или нуклонов композитны. В строении материи этот принцип выдерживается универсально: нуклоны с электронами образуют атомы, они, в свою очередь, объединяются в молекулы, составляющие физические тела, иерархия которых завершается небесными светилами. Подобная стратификация природы соответствует классификации фундаментальных сил: субатомный мир подчинен сильному взаимодействию, атомный и молекулярный – электромагнитному, астрофизический – гравитационному. Иными словами, структура макромира не случайна – она задается особенностями микромира. Не составляет исключения и иерархия астрономических объектов, что мы продемонстрируем при разборе многомерности суперструн.

Пространство нашей Вселенной ни в одной своей точке не является подлинно пустым. В соответствии с принципом неопределенности В. Гейзенберга, согласно которому координаты центра инерции физической системы и ее импульс одновременно не могут принимать вполне определенные и точные значения [19; 24, с. 63–64], в любом самом свободном от наполнения веществом и полем уголке Вселенной могут рождаться и исчезать так называемые виртуальные частицы . Это обстоятельство заставляет считать среду Вселенной по-своему сплошной и расценивать ее как «мировую поверхность », родственную другим трехмерным средам (воздушной, водной и т. п.).

Гуще или реже мировая поверхность повсеместно покрыта мельчайшими складками, которые именуются суперструнами . Их размеры отвечают так называемой планковской длине в 1,62 × 10^–33 см (по имени физика М. Планка, 1858–1947). С точки зрения квантовой механики планковская длина является минимальной размерностью, физически разрешенной в нашей Вселенной, и ничего меньше этой длины существовать не может. Суперструны отвечают элементарным частицам микромира.

Со времени своего рождения в Большом взрыве суперструны пребывают в безостановочном движении, являющемся отдачей или отголоском этого Взрыва, что обусловливает философский постулат об абсолютности движения и относительности покоя. Во-первых, суперструны безостановочно колеблются с предельными световыми скоростями. Во-вторых, суперструны непрерывно перемещаются в пространстве: безмассовые, вроде фотонов, – со скоростью света, а обладающие массой покоя – с околосветовыми, релятивистскими скоростями.

Колебательным движениям суперструн присущи характерные особенности, именуемые модами . По природе все суперструны тождественны, но в зависимости от моды колебания воспринимаются как разные частицы. Их можно рассматривать как элементарное начало всех физических вещей, как первоэлемент. Представляя собой вечно колеблющиеся частицы, ведущие себя и как волны, и как точечные объекты, суперструны разрешают философскую дилемму волны-частицы, давно тревожащую мыслителей. Ее существо состояло в том, что при определенных обстоятельствах элементарные частицы подавали себя как волны: например, плавно огибая препятствия и проникая в область геометрической тени подобно волнам на воде, что называется дифракцией . В иных случаях (например при столкновении с мишенью) элементарные частицы проявляли себя как крохотные, точечные тела. Эти особенности присущи математической модели суперструн.

Все суперструны открыты, т. е. условно напоминают отрезки трепещущих нитей накаливания, – лишь гравитоны замкнуты в кольцо. Если макромир существует в трех пространственных измерениях (длина – ширина – высота), то мир суперструн пространственно девятимерен. Альтернативная теория супермембран [299; 313а] видит все суперструны замкнутыми и пространственно десятимерными. Принятие состоятельности данной версии микромира может навести на мысль, что суперструны бывают 10-, 26-, 506-мерными [663] и вообще n- мерными [447, с. 36].

На наш взгляд, природа данного затруднения скорее мировоззренческая, нежели физическая. Математическая многомерность понимается пространственно (как если бы рядом с нами находились некие вместилища иных измерений), для чего нет экспериментальных оснований. Логичнее считать, что микрообъекты, помимо трех привычных (длина – ширина – высота), имеют шесть дополнительных степеней свободы движения: колеблясь «влево-вправо», суперструна одновременно колеблется не только «вверх-вниз» и «взад-вперед», но еще в шести направлениях, уподобляясь в разрезе профилю противотанкового ежа. Девять подобных направлений минимальны, однако порция энергии может добавить десятое, одиннадцатое и т. д., ничем не подрывая основ теории суперструн. Математическое описание их поведения при этом останется «пространственным», хотя природа будет несколько иной.

На заре существования Вселенной распадающаяся сингулярность оставила следы своей многомерности в устройстве нашего макромира. Сингулярность представляла собой объект наподобие суперструны и колебалась одновременно по меньшей мере в девяти плоскостях. То же справедливо и для нынешних макрообъектов. Человек способен двигаться в трех измерениях и в то же самое время вращается вокруг центра Земли (4-я степень свободы движения). Вместе с Землей он одновременно обращается вокруг Солнца (5-я степень свободы), а вместе с ним – вокруг центра Галактики (6-я степень). Вместе с Галактикой мы ежеминутно перемещаемся вокруг центра Местной Группы (наша Галактика Млечный Путь, Большое и Малое Магеллановы Облака; 7-я степень свободы). В составе Местной Группы всякий человек непрерывно движется относительно центра Галактической Империи (галактики Дракон, Малая Медведица, Лев II, Лев I, Секстант, Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако, Млечный Путь, Киль, Скульптор, Печь [268]; 8-я степень свободы). Наконец, в составе Местного Сверхскопления галактик мы вместе со Сверхскоплениями Девы, Павлина-Индейца, Гидры-Кентавра и другими неуклонно стремимся к Великому Аттрактору (9-я степень свободы). Сам того не замечая, каждый человек живет во Вселенной по меньшей мере с 9-ю степенями свободы движения, и такое положение вещей, несомненно, является наследием раннего этапа развития нашего мира. Оттуда же проистекает устройство астрофизического макромира вообще.

В самом деле, чем объяснить то обстоятельство, что Вселенная под влиянием сил гравитации не выглядит как общий бесформенный ком, разбухающий в силу вселенского расширения, а представляет собой виртуозное образование из девяти (или более) центров вращения и притяжения, движущихся относительно друг друга? Почему она выглядит как матрешка взаимовложенных вращающихся сфер, о чем интуитивно догадывался Пифагор (2-я половина VI в. – начало V в. до н.э.) [104, с. 149, № 5]? Астрономическая наука привыкла к подобному положению вещей, общественность – тоже, однако философия требует разъяснения и здесь. Если многоэтажно закрученная вокруг различных центров Вселенная отражает своим обликом древнюю многомерность (девять степеней свободы) первичной сингулярности, тогда ясность наступает.

В свете вышесказанного основной объект теорий суперструн и супермембран видится особым образом. В принципе это может быть точечный отпечаток сингулярности, суперточка . Родившись как зеркальное отражение распадающейся сингулярности, суперточка пришла в колебательное движение со световой скоростью и тут же приняла облик сплошного протяженного объекта, т. е. суперструны. Далее она развивала релятивистские колебания в 9 или 10 плоскостях, представая как классическая суперструна или супермембрана с 9-ю или 10-ю измерениями, оставаясь в основе одним и тем же образованием, суперточкой, адекватно отвечающей гибкости суперструнных-супермембранных теорий по части многомерности.

Распад сингулярности можно представить в виде расходящейся во все стороны ряби от трепещущей первичной суперточки. Вероятно, истинное число ее степеней свободы составляло примерное количество суперструн нынешней Вселенной, помноженное на 9 или 10 степеней свободы. Сингулярность теряла свои исходные количественно астрономические степени свободы, сбрасывая их в виде 9– или 10-мерных суперструн. Это могло бы выражать действующий во Вселенной закон сохранения суммарного количества степеней свободы суперструн – закон, исходный для законов сохранения квантовых чисел (спина, электрического заряда и других свойств, заданных степенями свободы суперструн).

Передвигаясь по мировой поверхности как по среде с определенной степенью вязкости [552, с. 31–32; 803], суперструны испытывают ее сопротивление. Это происходит следующим образом. Вероятность встречи с короткоживущими виртуальными частицами мала. Однако для суперструн, перемещающихся с релятивистскими скоростями, она заметна. Причем чем выше частота их колебаний, тем она ощутимей. «Цепляясь» за встречные виртуальные частицы, суперструны претерпевают деформации, выражающиеся в уплотнении суперструны, т. е. в сокращении ее объема, падении амплитуды и соответствующем подъеме частоты колебаний.

Поэтому, как следует из теории относительности [120; 377], микрообъекты, ускоряясь на релятивистских скоростях, сокращаются в линейных размерах, прибавляют в массе и тормозятся во времени. Последнее обусловлено тем, что физическое время представляет собой дистанцию между событиями. Подскакивая при ускорении в частоте, суперструны сокращают эту дистанцию между своими колебаниями и, следовательно, замедляют свое время (при скорости света – вообще останавливают). Указанные релятивистские эффекты сродни эффекту Доплера в макромире (т. е. зависимости частоты колебания и длины волны от скорости движения источника звука или света). Масса покоя и масса движения у безмассовых частиц зависят от частоты колебания суперструны, что объясняет физическую природу формулы E = mc 2 : чем энергичнее колебания суперструн, тем значительнее их массы (что подробно разъяснялось выше). У частиц с массой покоя имеется нижний предел частот, ответственных за эту массу. У безмассовых частиц он не фиксирован – поэтому масса «плавает» и не расценивается как масса покоя.

Описанные физические эффекты объясняют конечность скорости света. Чем заметнее ускоряется микрообъект, тем труднее он сокращается в размерах и неохотнее растет в частоте колебаний (вследствие собственного внутреннего сопротивления). На его преодоление уходит все больше энергии разгона, и частица «зависает» на отметке скорости света.

Теория суперструн не может обойтись без понятия мировой поверхности, а оно органично объясняет происхождение виртуальных частиц. Представим себе, например, простыню или что-либо подобное. Допустим, на ней имеются складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкам-суперструнам). Разумеется, мировая поверхность – это не двумерная простыня, но принципы ее поведения аналогичны.

Природа основных взаимодействий микромира также вытекает из поведения суперструн. Для гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия характерны притяжение и отталкивание. Эти эффекты обусловлены волновой природой суперструн-бозонов, которые подобно волне от судна на воде способны – в зависимости от фаз – как притягивать, так и отталкивать партнера по взаимодействию. Деформируя моду колебаний партнеров, частицы передают качества: цветовой заряд (особое свойство кварков, переносимое глюонами), электрический заряд (переносимый фотонами, Z– и W-бозонами), массу покоя (транслируемую хиггсами) и т. д. Обмениваясь частотами колебаний, частицы обмениваются энергией. Влияя на моды колебаний друг друга, частицы регулируют свои взаимопревращения и распады (например при слабых взаимодействиях).

Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость, которые в античной философии (например у Нигидия Фигула) приписывались заботам «демиурга» – метафизического начала, поддерживающего формы всех вещей. Лопасти вентилятора или пропеллера в покое легко огибаются, однако в стремительном вращении превращаются в сплошной, непроницаемый диск. Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.

Можно констатировать, что необычайная философская продуктивность физической теории суперструн делает ее незаурядным мировоззренческим достижением.