Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Свою теорию гравитации Эйнштейн сформулировал в 1915 году. Она удивительным образом и очень убедительно объяснила совпадения масс в исследованиях Ньютона, а кроме того, перевела гравитацию в рамки полевой теории наподобие электромагнетизма. Это удовлетворяло стремлению Ньютона к законам тяготения, основанным на локальности действия.

Если не настаивать на математических подробностях, величественную логику общей теории относительности можно обрисовать десятью широкими мазками.

1. Универсальная истина должна иметь универсальное объяснение.

2. Именно поэтому «совпадение», указывающее, что сила тяготения приводит к одинаковому ускорению любого тела, занимающего заданное положение в заданный момент времени, должно быть основополагающим.

3. Это значит, что гравитационное ускорение должно отражать свойства пространства-времени.

4. Одно из свойств, которые может иметь пространство-время, — кривизна[74].

5. Кривизна пространства-времени влияет на движение тел. Тела, двигающиеся «так прямо, как только возможно», могут тем не менее двигаться не вдоль прямой линии.

6. В пространстве-времени прямая линия символизирует движение с постоянной скоростью, поэтому отклонение от прямолинейного движения отражает ускорение.

7. Объединяя пункты 5 и 6, мы видим, как реализуется пункт 3: гравитация отражает кривизну пространства-времени.

8. Поскольку кривизна может меняться от точки к точке и во времени, она определяет поле.

9. Чтобы вывести теорию гравитации, нужны уравнения, увязывающие кривизну поля пространства-времени с влиянием материи. Действительно, как учил Ньютон, материя может создавать гравитацию.

10. Из закона тяготения Ньютона следует, что основное свойство материи, ответственное за гравитацию, — масса. Точнее, это предполагает, что кривизна пространства-времени, содержащая информацию о массе, должна быть пропорциональна массе. Это допущение — шаг в правильном направлении. Чтобы получить точные уравнения, его надо подкорректировать, но, если вы знаете специальную теорию относительности, это вопрос техники. Как я отмечал раньше, суть корректировки — в признании того, что источником гравитации являются все формы энергии, а не только связанная с массой покоя.

Джон Уилер, поэт общей теории относительности, считал так: «Пространство-время говорит материи, как двигаться, материя говорит пространству-времени, как изгибаться»[75].

СЛАБЫЕ СИЛЫ

Алхимия природы

Слабые силы ничего не изгибают и не передвигают, но их важность связана со способностью к трансформации. Эта способность, эффективно использующая чрезвычайную слабость слабых сил, обеспечивает им уникальную, центральную роль в эволюции Вселенной. Слабые силы — своего рода аккумулятор, медленно высвобождающий космическую энергию.

Знакомство с темой удобно начать с распада нейтрона. Это один из самых простых и в то же время важных процессов, за который ответственны слабые силы. Свободный нейтрон с периодом полураспада чуть больше десяти минут практически всегда спонтанно превращается в протон, электрон и антинейтрино. (Антинейтрино — античастица, соответствующая нейтрино.) Поскольку нейтроны и протоны существенно тяжелее остальных частиц, поучительно взглянуть на распад нейтрона под другим углом. Рассмотрим его превращение в протон с высвобождением энергии.

Первое, что надо отметить: в субатомном мире десять минут — это вечность. Для сравнения: время жизни адронов, распадающихся из-за сильных взаимодействий, в которых участвуют кварки и глюоны, составляет крохотную долю секунды. Сильное взаимодействие действует примерно в 10²⁷, или в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000, раз быстрее. Если исходить из таких стандартов, формирование нестабильности, обусловленной слабой силой и вызывающей распад нейтрона, требует очень длительного времени. Другими словами, это очень слабая нестабильность. Именно поэтому ее причину мы называем слабой силой.

Распад нейтрона — результат превращения одного из двух d-кварков в u-кварк (плюс электрон и антинейтрино). Поскольку нейтрон имеет кварковую структуру udd, а протон — uud, такое превращение кварков обеспечивает превращение нейтронов в протоны.

Хотя слабая сила действительно очень мала, она может делать то, что недоступно другим. Ни сильная, ни электромагнитная, ни гравитационная силы не превращают одни кварки в другие. В то же время слабая сила способна превращать более тяжелые кварки в более легкие. Все «бонусные частицы», вскользь упоминавшиеся в предыдущей главе[76], из-за слабой силы очень нестабильны.