Когда электроны и атомное ядро соединяются в атом, или кварки и глюоны соединяются в протон, получившийся объект имеет неповторимую и стабильную структуру, которая не может быть изменена без применения значительного количества энергии. (Это контрастирует с системами, основанными на классической механике, такими как планетные системы звезд, которые могут произвольно поглощать некоторое количество энергии за счет небольших изменений в их структуре.) Такая «квантовая цензура» означает, что при соответствующих обстоятельствах (когда энергии не так много) мы можем рассматривать атом или протон как черный ящик, внутренняя структура которого от нас скрыта. Так, например, при проектировании транзистора не нужно думать о кварках и глюонах.
Эти два следствия фундаментальных законов позволяют нам поэтапно наращивать наш синтез картины природы и использовать при работе с большим числом неотличимых сущностей статистические методы. Таким образом, они подвели под многие распространенные методики химиков и инженеров прочную базу, позволив рассматривать их как следствия «сокращения» круга используемых понятий.
Строительные блоки
Стандартные элементарные описания материи представляют протоны и нейтроны как строительные блоки атомных ядер. Затем электроны заполняют большую часть атомов, а те, в свою очередь, объединяются в молекулы, молекулы — в различные материалы. Для отображения текущего положения дел эта схема нуждается в нескольких уточнениях.
Во‑первых, как упоминалось ранее, теперь мы понимаем, что неестественно и не нужно отделять свет от материи. Фотоны — такая же материя, как и все остальное.
Во‑вторых, мы должны избавиться от мысли о том, что протоны и нейтроны являются подходящими объектами для фундаментального изучения. Согласно результатам экспериментов, это составные объекты, обладающие сложной внутренней структурой. Базовые частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, называются кварками и глюонами. Все имеющиеся данные подтверждают: последние подчиняются идеально простым уравнениям квантовой хромодинамики (КХД). Существуют два важных вида кварков: верхние (или u‑кварки) и нижние (или d‑кварки).
В‑третьих, не следует забывать о нейтрино. Эти частицы испускаются в ходе питающих Солнце ядерных превращений и используются в различных ядерных технологиях (включая медицинскую диагностику, некоторые формы лучевой терапии, ядерные реакторы и ядерное оружие).
Теперь основных ингредиентов — электронов, фотонов, глюонов, u— и d‑кварков и нейтрино — достаточно, чтобы построить «эффективную теорию», которая бы удовлетворяла нашим основным требованиям. Она состоит из гораздо более скромного числа компонентов, чем традиционная периодическая таблица, снабжена гораздо более точным руководством по эксплуатации (фундаментальными уравнениями) и охватывает гораздо более широкий спектр явлений.
Наша эффективная теория имеет известные ограничения, о которых я сейчас расскажу, но в обозримом будущем они не представляются значимыми для любой правдоподобной и широко используемой технологии.
Космические ресурсы
Последние несколько десятилетий стали золотым веком физической космологии. Доказательства удивительно простой истории Вселенной — начиная от Большого взрыва, когда вещество было почти однородным и горячим, до обретения структуры под действием гравитации — стали одновременно точными и ошеломляющими. Здесь не было бы необходимости вспоминать об этом, если бы не два следствия из этой теории, весьма актуальных для нашей основной темы.
В нашей эффективной теории говорится о различных формах, которые может принимать материя, но сама по себе она не в состоянии сообщить нам, какие материалы на самом деле доступны. Гипотеза Большого взрыва, согласно которой образование Вселенной было очень жарким, подразумевает, что ядра собирались из первичной смеси кварков и глюонов, и позволяет вычислить относительные количества различных химических элементов в ранней Вселенной до образования звезд. Результат — радикальное преобладание водорода и гелия над другими элементами. Тяжелые элементы возникали уже внутри звезд, а после смерти последних высвобождались в процессе взрывов сверхновых. Следуя этому сценарию, мы получаем хорошо согласующееся с опытом описание материи, образующую Вселенную сегодня. Это согласие между фундаментальной физической теорией и наблюдениями еще больше укрепляет нашу уверенность в теории — даже применительно к условиям, гораздо более экстремальным, чем в земных химии, биологии или инженерном деле.
Однако астрономы собрали убедительные доказательства того, что обычная материя, основанная на электронах, фотонах, глюонах и кварках, составляет всего около 4 % веса Вселенной. Остальное относится к категориям «темной материи» (около 25 %) и «темной энергии» (около 70 %). Обе пока идентифицируются лишь посредством их слабого (но кумулятивного) гравитационного влияния на обычную материю. Поскольку взаимодействие темной энергии и темной материи с обычной материей крайне слабое, трудно представить, каким образом они могли бы стать полезными для технологий.
Нерешенные проблемы и пробелы
Осложнения: больше материала
Наиболее решительно анализ и синтез, или редукционизм, осуществляется на больших ускорителях, таких как Большой андронный коллайдер (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Протоны в нем разгоняются до огромных энергий, а потом им дают столкнуться. При этом кратковременно создается плотность энергии, далеко превосходящая все, что происходит естественным образом на Земле (как, насколько мы знаем, где‑либо еще в современной Вселенной). Это позволяет проверить теории фундаментальных взаимодействий в условиях гораздо более тяжелых, чем встречающиеся в обычной практике.
У наиболее заметного результата этой работы есть два важных для наших целей аспекта.
Для начала плохая новость: наша «эффективная теория» оказывается весьма неполной. Чтобы получить хорошее описание всех обнаруженных на ускорителях явлений, следует добавить еще четыре вида кварков (странный s, очарованный с, прелестный b и истинный t), две тяжелые электроноподобные частицы (мюон µ, тау‑лептон τ), каждая из которых вдобавок вводит собственное нейтрино, двоих тяжелых родственников фотона и глюона (W— и Z‑бозоны) и, наконец, недавно обнаруженный бозон Хиггса.
Смысл плохой новости в том, что столь близкое рассмотрение реальности приводит к неожиданным осложнениям.
Теперь хорошая новость: эти осложнения лишь укрепляют принципы эффективной теории и не ставят под угрозу ее практическое применение. Изучение новых частиц предоставляет массу новых способов проверки общих принципов, лежащих в основе нашей эффективной теории — теории относительности, квантовой теории и локальной симметрии. Действительно, эти принципы предсказывают доли, в которых различные частицы будут производиться при разных условиях, то, на что они будут распадаться, и многое другое. До сих пор прогнозы — все без исключения — подтверждали правильность нашего описания реальности.
