Книга Семь этюдов по физике - Карло Ровелли

Во вселенной, описанной в предыдущей главе, свет и физические объекты движутся. Свет состоит из фотонов, частиц света, постигнутых Эйнштейном. Объекты, которые мы видим, состоят из атомов. Каждый атом содержит ядро, окруженное электронами. Каждое ядро составляют плотно упакованные протоны и нейтроны. И протоны, и нейтроны состоят из еще меньших частиц, которые американский физик Мюррей Гелл-Манн назвал «кварками», вдохновившись загадочным словом из бессмысленной фразы произведения Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка!»[3] Стало быть, все, чего бы мы ни коснулись, состоит из электронов и из этих кварков.

Сила, «склеивающая» кварки внутри протонов и нейтронов, создается частицами, которые физики (довольно предсказуемым образом) называют «глюонами».[4]

Электроны, кварки, глюоны и фотоны – компоненты всего, что покачивается в пространстве вокруг нас. Они и есть те «элементарные частицы», которые изучаются в соответствующем разделе физики. К ним добавляются еще несколько других частиц, например нейтрино, роящиеся во Вселенной, но мало взаимодействующие с нами, и бозоны Хиггса, недавно зарегистрированные в Женеве в Большом адронном коллайдере ЦЕРНа. Но элементарных частиц на самом деле не так уж много, меньше десяти типов. Пригоршня простейших ингредиентов, которые играют роль деталек в гигантском конструкторе лего, выстраивая всю окружающую нас материальную реальность.

Природа этих частиц и то, как они движутся, описывается квантовой механикой. Эти частицы реальны не как мелкие камушки, а скорее как «кванты» соответствующих полей, равно как фотоны – «кванты» электромагнитного поля. Они элементарные возмущения подвижного субстрата, похожего на поле Фарадея и Максвелла. Крошечные подвижные волны. Они исчезают и появляются вновь согласно причудливым законам квантовой механики, где все существующее никогда не стабильно и есть не более чем скачок от одного взаимодействия к другому.

Даже если мы будем наблюдать за небольшой пустой областью пространства, в которой нет атомов, мы все же детектируем мельчайшее копошение этих частиц. Не существует такого понятия, как настоящая пустота, где нет совершенно ничего. Как спокойнейшее море, если внимательно приглядеться, колышется и дрожит, пусть и слегка, так и поля, формирующие мир, подвергаются мельчайшим колебаниям, и элементарные частицы можно представить себе словно бы имеющими скоротечную жизнь – они будто бы непрерывно созидаются и разрушаются этими движениями.

Таков мир, описываемый квантовой механикой и теорией элементарных частиц. Мы ушли очень далеко от механистического мира Ньютона и Лапласа, где мелкие холодные камешки бесконечно путешествовали по длинным точным траекториям в геометрически неизменном пространстве. Квантовая механика и эксперименты с частицами научили нас тому, что мир – непрерывное, неустанное мельтешение объектов, постоянное возникновение и исчезновение эфемерных сущностей. Совокупность колебаний, как в мире накурившегося хиппи 1960-х. Мир событий, не объектов.

В деталях теория элементарных частиц выстраивалась постепенно в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах некоторыми из величайших физиков века, в частности Ричардом Фейнманом и Мюрреем Гелл-Манном. Эта созидательная работа породила замысловатую теорию, основанную на квантовой механике и носящую не очень романтичное название «Стандартная модель элементарных частиц». Стандартная модель была полностью доработана в 1970-х годах, после длительной серии экспериментов, подтвердившей все предсказания. Окончательно она подтвердилась в 2012 году – с открытием бозона Хиггса.

Однако, несмотря на длительную серию успешных экспериментов, физики никогда не принимали Стандартную модель совсем уж всерьез. Эта теория выглядит, по крайней мере на первый взгляд, слепленной из разрозненных частей. Она составлена из различных кусочков и уравнений, собранных вместе без какого-либо явного порядка. Определенное число полей (но почему именно эти?), взаимодействующих между собой определенными силами (но почему этими силами?), каждая из которых задается определенными константами (но почему конкретно эти значения?), и демонстрирующих определенные виды симметрии (но, опять же, почему эти?). Тут мы далеки от простоты уравнений общей теории относительности и квантовой механики.

Сам способ, которым с помощью уравнений Стандартной модели делают предсказания о мире, тоже безумно изощрен. Если эти уравнения использовать напрямую, они ведут к нелепым предсказаниям, когда всякая вычисляемая количественная характеристика оказывается бесконечно большой. Чтобы получить осмысленные результаты, необходимо задать бесконечно большими сами параметры, входящие в уравнения, – чтобы уравновесить абсурдные результаты и сделать их разумными. Этот замысловатый прием носит техническое название «ренормализация». На практике он работает, но оставляет горький привкус во рту любого, кто ищет простоты в природе. В последние годы жизни величайший ученый XX века после Эйнштейна, Поль Дирак, один из создателей квантовой механики и автор первых и главных уравнений Стандартной модели, неоднократно выражал свое недовольство таким положением вещей, заключая, что проблема еще не решена.

Вдобавок в последнее время выявилось неожиданное ограничение Стандартной модели. Вокруг каждой галактики астрономы наблюдают большое облако вещества, которое обнаруживает свое существование гравитационным притяжением, действующим на звезды, и тем, как оно преломляет свет. Но это огромное облако, гравитационное влияние которого мы наблюдаем, нельзя увидеть непосредственно, и мы не знаем, из чего оно состоит. Были выдвинуты многочисленные гипотезы, ни одна из которых, по-видимому, не работает. Очевидно, что там что-то есть, но мы не знаем, что именно. Сегодня это называют «темной материей». Имеются доказательства, что это нечто, не описываемое Стандартной моделью, иначе мы бы его увидели. Нечто отличное от атомов, нейтрино или фотонов…

Неудивительно, что есть многое на свете, друг читатель, что и не снилось нашим мудрецам – или нашим физикам. До недавнего времени мы даже не подозревали о существовании радиоволн и нейтрино, пронизывающих Вселенную. Стандартная модель – по-прежнему лучшее, что у нас есть для мира объектов. Ее предсказания все подтвердились, и, не считая темной материи – и гравитации, рассматриваемой в общей теории относительности как искривление пространства-времени, – Стандартная модель хорошо описывает каждый аспект воспринимаемого мира.

Альтернативные теории предлагались, но только лишь для того, чтобы оказаться экспериментально опровергнутыми. Например, неплохая теория, сформулированная в 1970-х годах и названная техническим именем SU(5), заменила беспорядочные уравнения Стандартной модели структурой поэлегантнее и гораздо более простой. Теория предсказывала, что протон может распадаться, с некоторой вероятностью, превращаясь в электроны и кварки. Чтобы пронаблюдать, как протоны распадаются, соорудили большие машины. Физики посвящали свои жизни попытке наблюдать распад протона. (Зараз вы смотрите не на один протон, поскольку его распад занимает слишком много времени. Вы берете тонны воды и окружаете ее чувствительными детекторами, чтобы зарегистрировать эффекты от распада.) Но, как это ни прискорбно, ни один протон так и не увидели распадающимся. Красивая теория SU(5), несмотря на все свое изящество, не подтвердилась.