Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Афина много раз прокручивала в голове эту сказку. Ей казалось очень странным, что кто-то, пусть даже самая чувствительная из принцесс, способен обнаружить горошину, лежа спокойно на горе из матрасов. После многодневных размышлений Афина нашла подходящее объяснение и кинулась к брату, чтобы все ему рассказать.
Афина отвергла обычную интерпретацию, что принцесса якобы доказала свое королевское происхождение, продемонстрировав изнеженность и утонченность, когда почувствовала нечто столь маленькое, как горошина под грудой матрасов. Она предложила другое объяснение.
Афина предположила, что когда Королева вышла из спальни, оставив принцессу в одиночестве, та отбросила все внешние приличия и дала волю своей бурной молодой натуре. Прежде чем улечься и попытаться заснуть, принцесса стала бегать по комнате и до изнеможения прыгать на кровати. Во время своих буйств принцесса сплющивала матрасы так, что на короткое время горошина выпирала сквозь них, образуя болезненный выступ, который и приводил к небольшому синяку. Афина не отрицала, что принцесса все же была довольно чувствительной, но полагала, что ее ревизионистская интерпретация намного лучше.
Обнаружение субструктуры внутри атома было столь же впечатляющим достижением, как и обнаружение горошины принцессой. Частицы, называемые кварками и являющиеся строительными блоками, из которых состоит протон, занимают примерно ту же долю объема протона, как и горошина в матрасе. Горошина объемом 1 см3 занимает одну миллионную долю матраса объемом 2 м х 1 м х 0,5 м, что не слишком отличается от доли объема, которую кварк занимает в протоне. Тот способ, которым физики обнаружили кварки, напоминает открытие буйной принцессы. Пассивная принцесса никогда бы не обнаружила горошину, погребенную под кучей слоев. Аналогично, физики не могли обнаружить кварки до тех пор, пока они не запустили в протон энергичными частицами, которые могли исследовать его внутренности.
В этой главе вы совершите скачок в Стандартную модель физики частиц — ту теорию, которая описывает известные элементарные составляющие материи и действующие между ними силы[78]. Стандартная модель, представляющая кульминацию многих удивительных и волнующих открытий является достижением огромной важности. Вам не требуется запоминать все детали, позднее я повторю названия всех существующих в природе частиц и природу их взаимодействий. Но Стандартная модель лежит в основе многих экзотических многомерных теорий, которые я опишу ниже, и когда вы познакомитесь с современными достижениями, знакомство со Стандартной моделью и ее ключевыми идеями приведет к более глубокому пониманию фундаментальной структуры материи и тех взглядов на мир, которых придерживаются физики в наши дни.
Электрон и электромагнетизм
Когда Владимир Ильич Ленин в философском труде «Материализм и эмпириокритицизм», используя в качестве метафоры электрон, писал, что «электрон… неисчерпаем», он имел в виду уровни теоретических идей и способ их интерпретации. Действительно, сейчас мы понимаем электрон совершенно не так, как это было в начале двадцатого века, до того, как квантовая механика перевернула наше понимание.
Но с точки зрения физики верно как раз противоположное утверждение: электрон исчерпаем. Насколько мы сейчас знаем, электрон является фундаментальным и неделимым. Для физика-частичника электрон не обладает «неисчерпаемой» структурой, а является простейшей частицей, которую описывает Стандартная модель. Электрон стабилен и не содержит внутри себя составных частей, так что мы можем полностью описать его, перечислив только несколько свойств, включая массу и заряд. (Чешский антикоммунист и специалист в области теории струн Любош Мотль насмешливо заметил, что это не единственное различие между его взглядами и взглядами Ленина.)
Электрон движется к положительно заряженному аноду батареи. Движущийся электрон реагирует на магнитную силу: когда электрон движется сквозь магнитное поле, его траектория искривляется. Оба эти явления есть результат наличия у электрона отрицательного заряда, благодаря которому электрон отзывается на электрические и магнитные силы.
До 1800-х годов все полагали, что электричество и магнетизм представляют собой совершенно разные силы. Однако в 1818 году датский физик и философ Ханс Эрстед обнаружил, что ток движущихся зарядов порождает магнитное поле. Из этого наблюдения он вывел, что должна существовать единая теория, описывающая как электричество, так и магнетизм: эти две силы должны быть двумя сторонами одной медали. Когда стрелка компаса реагирует на вспышку молнии, это явление подтверждает вывод Эрстеда.
Используемая и в наши дни классическая теория электромагнетизма была развита в XIX веке, опираясь на наблюдения о связи электричества и магнетизма. Критичным для этой теории явилось понятие поля. Поле — это название, данное физиками любой величине, пронизывающей все пространство. Например, значение гравитационного поля в любой точке пространства указывает нам, насколько сильно в этой точке проявляется тяготение. То же самое верно для поля любого типа: значение поля в каждом месте определяет, насколько интенсивно поле в этом месте.
В середине XIX века английский химик и физик Майкл Фарадей ввел понятия электрического и магнитного полей[79], и эти понятия сохранились в физике до наших дней. Заметим, что в четырнадцать лет Фарадей должен был временно прервать обучение в школе, чтобы помочь содержать семью. Поэтому вызывает восхищение тот факт, что ему удалось выполнить физические исследования столь революционного содержания. К счастью для Фарадея (и для истории физики) он был отдан в ученики к переплетчику, который поощрял его к чтению книг, над которыми работал, что позволяло Фарадею заниматься самообразованием.
Идея Фарадея состояла в том, что заряды создают электрические или магнитные поля всюду в пространстве, а эти поля, в свою очередь, действуют на другие заряды, независимо от того, где они находятся. Однако величина влияния электрических и магнитных полей на заряженные тела зависит от их местоположения. Поле оказывает наибольшее влияние на заряды в тех местах, где его величина максимальна, и наименьшее влияние там, где его величина минимальна.
Вы можете воочию убедиться в существовании магнитного поля, рассыпав железные опилки вблизи от постоянного магнита. Опилки соберутся в структуры в соответствии с напряженностью и направлением поля. Вы можете также изучать поле, удерживая два магнита близко друг от друга. Вы ощутите их взаимное притяжение или отталкивание задолго до того, как магниты соприкоснутся. Каждый магнит отзывается на поле, пронизывающее пространство между ними.
Вездесущность электрических полей окончательно дошла до меня в тот день, когда я завершала восхождение на гребень горы вблизи Боулдера (штат Колорадо) со спутником, который был новичком в этом деле, но имел значительный опыт пеших походов. Приближалась электрическая буря, я не хотела, чтобы мой спутник нервничал, поэтому попросила его двигаться побыстрее, не сказав, что связывающий нас трос потрескивает, а волосы моего спутника стоят дыбом. Когда мы благополучно спустились вниз и стали с удовольствием вспоминать наше путешествие, которое было в основном было приятным, мой спутник сказал, что он, конечно, понимал, что мы находимся в опасности: было видно, что мои волосы тоже стояли дыбом! Электрическое поле было не только в одном месте, оно было везде вокруг нас.
До XIX века никто не описывал электричество и магнетизм, пользуясь понятием поля. Для описания электрических и магнитных сил ученые обычно использовали понятие действия на расстоянии. Вероятно, в школе вам встречался термин действие на расстоянии для описания того, каким образом электрически заряженное тело мгновенно притягивается или отталкивается от любого другого заряда независимо от того, где он находится[80]. Это не кажется странным, так как именно к этому мы привыкли. Однако представляется невероятным, если нечто, находящееся в одном месте, могло бы мгновенно повлиять на другое тело, находящееся на некотором расстоянии. Каким образом передается информация о явлении?
Хотя может показаться, что речь идет всего лишь о терминологии, на самом деле имеется громадное концептуальное различие между полем и действием на расстоянии. Согласно полевой интерпретации электромагнетизма, заряд не оказывает мгновенного воздействия на другие области пространства. Нужно время на перестройку поля. Движущийся заряд создает в непосредственной близости от себя поле, которое проникает (хотя и очень быстро) во все области пространства. Тела узнают о движении удаленного заряда только после того, как свет (представляющий комбинацию электрических и магнитных полей) сумеет до них добраться. Таким образом, электрические и магнитные поля изменяются не быстрее, чем позволяет конечная скорость света. В каждой данной точке пространства поле настраивается только после того, как пройдет достаточное время, необходимое для того, чтобы влияние удаленного заряда достигло данной точки.
