Эпилог
Неоконченное дело

История о кванте, которую я рассказал в этой книге, кажется аккуратно выдержанной и сухой, за исключением полуфилософского вопроса, нравится ли вам больше Копенгагенская или многомировая интерпретация. Лучшего способа рассказать эту историю в книге не существует, однако это не вся правда. История кванта еще не завершена, и сегодня теоретики трудятся над задачами, которые могут помочь сделать следующий шаг, который будет настолько же фундаментальным, как шаг Бора, когда он проквантовал атом. Попытка написать об этом неоконченном деле окажется путаной и неудовлетворительной. Принятые точки зрения на то, что является важным, а что можно спокойно игнорировать, могут совершенно измениться к тому моменту, когда книга выйдет из печати. Однако, чтобы у вас было хоть какое-то представление о том, как может пойти развитие, в этом эпилоге я расскажу о неоконченных страницах квантовой истории и дам пару намеков на то, чего можно ожидать в будущем.

То, что в квантовой теории таится гораздо больше, чем видно нашему глазу, становится ясным из ветви квантовой теории, которую обычно называют бриллиантом в короне квантовой науки, самым великим ее завоеванием. Это квантовая электродинамика, или КЭД для краткости, теория, которая «объясняет» электромагнитное взаимодействие с позиции кванта. Квантовая электродинамика расцвела в 1940-х годах и оказалась такой успешной, что ее использовали в качестве модели для теории сильного ядерного взаимодействия, которая, в свою очередь, стала называться квантовой хромодинамикой, или КХД, так как она изучает взаимодействия частиц под названием кварки, обладающих свойствами, которые теоретики причудливо обозначили названиями цветов. И все же в квантовой электродинамике есть существенный недостаток. Теория работает, но только после подгонки математики таким образом, чтобы она соответствовала нашим наблюдениям мира.

Проблемы связаны с тем, что электрон в квантовой теории не является голой частицей классической теории, а окружен облаком виртуальных частиц. Это облако частиц должно оказывать влияние на массу электрона. Возможно вывести квантовые уравнения, соответствующие электрону + облаку, но при попытке решить эти уравнения математически «ответы» получаются бесконечно огромными.

Рис. Э.1. Классическая диаграмма Фейнмана, изображающая взаимодействие частиц.

Рис. Э.2. Квантовая коррекция законов электродинамики объясняется присутствием виртуальных частиц – диаграмм с замкнутыми петлями. Существуют ситуации, приводящие к бесконечностям, от которых можно избавиться только с помощью неудовлетворительного трюка перенормировки.

Отталкиваясь от уравнения Шрёдингера, которое стало краеугольным камнем квантовой кулинарии, верная математическая трактовка электрона дает бесконечную массу, бесконечную энергию и бесконечный заряд. Не существует правомерного математического способа избавиться от этих бесконечностей, но от них можно избавиться, пойдя на хитрость. Мы знаем массу электрона, измеренную экспериментально, и знаем, что именно такой ответ должна давать нам теория в качестве массы электрона + облака. Поэтому теоретики убирают бесконечности из уравнений, в сущности деля одну бесконечность на другую. Математически, если разделить бесконечность на бесконечность, можно получить любой ответ, поэтому они говорят, что ответ именно тот, который нам нужен, то есть измеренная масса электрона. Этот трюк называется перенормировкой.

Чтобы понять, что происходит, представьте человека весом 150 фунтов, который отправляется на Луну, где сила притяжения на поверхности составляет только одну шестую силы притяжения на поверхности Земли. На обычных земных весах, настроенных на Земле и привезенных с собой на Луну, отобразится, что путешественник весит 25 фунтов, хотя тело его не потеряло ни грамма массы. В таких обстоятельствах будет, вероятно, разумным «перенормировать» весы, подкрутив их таким образом, пока не отобразится вес 150 фунтов. Но этот трюк работает только потому, что мы знаем, какой именно массой – в земных единицах – обладает путешественник, и хотим вести свои записи в этих же единицах. Если весы регистрируют бесконечную массу, ее можно подогнать к реальности, только произведя бесконечную корректировку, и именно этим квантовые теоретики занимаются в квантовой электродинамике. К сожалению, хотя при делении 150 на 6 мы имеем однозначный ответ 25, при делении 25 × бесконечность на бесконечность однозначного ответа 25 не получается, но может получиться вообще любой ответ.

Рис. Э.3. Обмена двумя W-бозонами, происходящего между нейтрино и нейтроном, достаточно для требования всей бесконечной поправки к вычислению, в отличие от обмена единичным бозоном.

Даже так трюк этот чрезвычайно силен. Когда вычеркиваются бесконечности, решения уравнения Шрёдингера делают все, что только могут пожелать физики, и прекрасно описывают даже самые тонкие детали электромагнитных взаимодействий в атомных спектрах. Результаты совершенны, так что большинство теоретиков считают квантовую электродинамику хорошей теорией и не переживают из-за бесконечностей точно так же, как квантовые кулинары не переживают о Копенгагенской интерпретации или принципе неопределенности. Но то, что трюк работает, не отменяет того факта, что трюк остается трюком, и единственный человек, мнение которого относительно квантовой теории должно пользоваться наибольшим авторитетом, глубоко разочарован этим. На лекции, прочитанной в 1975 году в Новой Зеландии, Поль Дирак заметил:

Заявив, что в его понимании «это уравнение Шрёдингера не имеет решения», Дирак завершил свою лекцию, подчеркнув, что теорию необходимо решительно изменить, чтобы она приобрела математический смысл. «Простых изменений недостаточно… Я чувствую, что необходимое изменение будет почти столь же драматично, как и пассаж из теории Бора о квантовой механике». Где искать такую новую теорию? Если бы у меня был ответ на этот вопрос, я бы уже поднимался на сцену за Нобелевской премией. И все же я могу показать вам несколько интересных завоеваний современной физики, которые в принципе могли бы удовлетворить даже высоким требованиям Дирака к хорошей теории.