Мне особенно нравится одна сцена из фильма Вуди Аллена, в которой персонаж, одержимый вопросом о смысле жизни и смерти, навещает своих родителей и, рыдая, молит их наставить его на путь истинный. На что его отец поднимает глаза и отвечает: «Не спрашивай меня о смысле жизни. Я не знаю даже, как работает тостер!»

В этой книге я тоже постарался подчеркнуть, возможно, не так убедительно, как Вуди Аллен, тесную связь между почти что эзотерическими вопросами, возникающими перед учёными на переднем крае исследований, и физикой повседневных явлений. Поэтому мне представляется уместным в этой последней главе порассуждать, к каким новым открытиям может привести эта связь в XXI веке. Историческая встреча на Шелтер-Айленде, состоявшаяся более полувека назад, изменила отношения между любыми возможными будущими открытиями и нашими существующими теориями. Её результатом стала глубокая, но незаметная перестройка нашего мировоззрения. Никто не способен объективно сказать, существует ли окончательный ответ на основной вопрос жизни, Вселенной и всего остального. Однако современная физика подвела нас к пониманию, почему, по крайней мере в буквальном смысле, это не имеет значения.

Я собираюсь рассмотреть здесь вопрос о том, что же направляет наши мысли о будущем физики по тому или иному пути, и почему. Большую часть этой книги я посвятил рассказам про то, как физики оттачивали свои инструменты для построения нашей сегодняшней картины мира. Я сделал это не в последнюю очередь потому, что именно эти инструменты будут определять подход к тем вещам, которые нам ещё предстоит понять. По этой причине, совершив полный круг, я собираюсь вернуться туда, откуда мы начали: к аппроксимации и масштабированию.

Физика имеет будущее только в той мере, в которой существующие теории являются неполными. Давайте зададимся вопросом: какими свойствами обладала бы полная физическая теория, если бы у нас такая была? Простейший ответ будет почти тавтологией: теория является полной, если она предсказывает все явления, для предсказания которых она была создана. Но обязательно ли такая теория является истинной и, что ещё более важно, обязательно ли истинная теория является полной? К примеру, истинна ли ньютоновская теория гравитации? Она предсказывает движение планет вокруг Солнца и движение Луны вокруг Земли с огромной точностью. Её можно использовать для взвешивания Солнца с погрешностью меньше чем одна миллионная. Кроме того, законы Ньютона позволяют рассчитывать движение тел вблизи поверхности Земли с точностью до одной стомиллионной. Но при предсказании угла, на который отклоняется луч света, проходящий вблизи Солнца, она даёт ошибку в два раза!

Правильный результат получается, если вместо ньютоновской механики воспользоваться общей теорией относительности, обобщающей её на случай больших скоростей и сильных гравитационных полей. Таким образом, теория, основанная на законе всемирного тяготения Ньютона, является неполной. Но является ли она неистинной?

Ответ кажется очевидным. В конце концов, мы можем экспериментально измерить отклонения от предсказаний закона Ньютона. С другой стороны, в нашей повседневной жизни все предсказанные законом Ньютона явления выполняются с величайшей точностью, и мы можем сказать, что в том мире, в котором мы непосредственно обитаем, закон Ньютона является истинным. Давайте тогда предположим, что истинная и полная теория должна находиться в полном согласии со всем, что мы знаем о мире. Сегодня закон Ньютона, конечно, не соответствует этому критерию. Однако по крайней мере до конца XIX века он ему соответствовал. Был ли он тогда истинным? Зависит ли научная истина от времени?

Юристы могут упрекнуть меня в том, что моему второму определению недостаёт формальной строгости. Мне следовало бы заменить слова «всё, что мы знаем» на слова «всё, что существует». Но это также бесполезно! Подобное определение уплывает из области науки в область философии — мы никогда не сможем его применить, ведь мы никогда не знаем, знаем ли мы обо всём, что существует. Всё, что мы можем знать, — это только то, что мы знаем! Проблема кажется неразрешимой, но она имеет одно важное, часто недооцениваемое следствие, заключающееся в том, что мы никогда не можем доказать истинность чего-либо; мы можем доказать только ложность. Это очень важная идея, которая лежит в основе всего научного прогресса. Как только мы сталкиваемся с тем, что теория, которая давала правильные предсказания на протяжении тысячелетий, расходится с опытом, это оказывается сигналом, что нам нужно либо расширять, либо заменять теорию.

Здесь имеется гораздо более глубокая и, надеюсь, менее семантическая проблема, входящая в число тех вопросов, на которых я хотел бы сосредоточиться в этой главе. Что в принципе означает, что некая теория является истинной. Рассмотрим квантовую электродинамику (КЭД), теорию, завершённую после встречи на Шелтер-Айленде. Примерно за двадцать лет до этого молодой Дирак вывел своё релятивистское уравнение. Это уравнение правильно описывало всё, что на тот момент было известно об электронах, но при его решении возникала неприятная математическая расходимость, и эта проблема была внесена в повестку дня совещания на Шелтер-Айленде. В конечном итоге Фейнман, Швингер и Томонага представили математически согласованный метод решения уравнения Дирака, который позволял получать предсказания, полностью согласующиеся со всеми экспериментами. В течение десятилетий после эпохального совещания все эксперименты демонстрировали блестящее согласие с предсказаниями теории. На сегодняшний день КЭД — это наиболее хорошо подтверждённая из всех физических теорий. Сделанные на её основе расчёты согласуются с экспериментальными данными до девятого знака после запятой! Мы никогда не имели более точной теории, чем КЭД.

Но можно ли сказать, что КЭД является полной теорией взаимодействия электронов и фотонов? Разумеется, нет. Например, мы знаем, что если рассматривать достаточно высокоэнергетические процессы с участием массивных W- и Z-бозонов, то КЭД становится частью более общей теории — теории электрослабого взаимодействия. То есть на данном этапе КЭД сама по себе неполна.

Это не досадная случайность. Даже если бы W- и Z-бозонов не существовало, а электромагнетизм и гравитация были единственными известными нам силами в природе, мы всё равно не могли бы назвать КЭД полной теорией электронов и фотонов. Потому что, как стало понятно спустя несколько лет после совещания в Шелтер-Айленде, это утверждение без последующего уточнения не имеет физического смысла.

Соединение теории относительности и квантовой механики, первым успешным примером которого является КЭД, демонстрирует, что любая теория, и КЭД в том числе, имеет смысл только в той мере, в какой мы привязываем её к определённому масштабу. Например, имеет смысл говорить, что КЭД является полной теорией взаимодействия электронов и фотонов на расстояниях, не меньших 10^-10 см. На таких расстояниях влияние W- и Z-бозонов ещё не проявляется. Это может показаться мелкой придиркой, но поверьте мне, это не так.

В главе 1 я писал про необходимость согласования размерностей и масштабов с физическими измерениями. Осознание необходимости согласовывать физическую теорию с масштабом явления — пространственным, временным или энергетическим — появилось, когда Ханс Бете сделал аппроксимацию, позволившую ему вычислить лэмбовский сдвиг спустя пять дней после совещания на Шелтер-Айленде. Бете сумел избавиться от расходимости путём пренебрежения, по физическим соображениям, некоторыми эффектами.

Напомню ещё раз, что сделал Бете. Теория относительности и квантовая механика подразумевают, что частицы могут спонтанно «выскакивать» из пустого пространства только затем, чтобы тут же исчезнуть, если они это делают в течение очень короткого промежутка времени, который не может быть измерен в силу принципа неопределённости. Тем не менее расчёт лэмбовского сдвига продемонстрировал, что эти частицы могут влиять на реально измеряемые свойства обычных частиц, например на свойства атома водорода. Проблема, однако, состояла в том, что учёт влияния всех возможных виртуальных частиц с произвольно высокими энергиями делал расчёт атома водорода математически невыполнимым. Бете утверждал, что следует исключить из расчёта те виртуальные частицы, энергия которых превышает некую величину. В то время он понятия не имел, что это должна быть за величина и из каких соображений её следует выбирать, поэтому он выбрал в качестве предельного значения энергии энергию покоя электрона.

Разработав окончательный вариант теории, Фейнман, Швингер и Томонага показали, что вклад виртуальных частиц высоких энергий действительно можно последовательным образом исключить. И их теория начала давать разумные результаты — как и должна поступать любая разумная теория. В конце концов, если бы вклад всех процессов, происходящих на расстояниях и временах, много меньших масштаба атомных явлений, в окончательный результат был существенным, у нас не осталось бы ни малейшей надежды построить применимую на практике физическую теорию. Это всё равно как если бы для описания движения мяча нам понадобилось учесть все силы, действующие на каждую молекулу мяча в течение каждой наносекунды его полёта.

Со времён Галилея отбрасывание несущественного было неявным принципом построения любой физической теории. Этот принцип остаётся справедливым даже при выполнении очень точных расчётов. Вернёмся к мячу. Даже вычисляя его положение с точностью до долей миллиметра, мы по-прежнему предполагаем, что его можно рассматривать как мяч, хотя на самом деле он представляет собой набор из примерно 10²⁴ атомов, каждый из которых сложным образом колеблется и вращается относительно других атомов во время полёта мяча. Однако фундаментальное свойство законов Ньютона позволяет нам разделить движение составного тела на две части: на движение центра масс, положение которого определяется как усреднённое положение всех составляющих его частей, и на движение всех отдельных частей тела относительно центра масс. Обратите внимание, что центр масс не обязательно находится там, где имеется какая-нибудь масса. Например, центр масс бублика находится в середине его дырки! Если мы подбросим бублик, он может кувыркаться довольно сложным образом, но его центр масс будет двигаться по параболе, впервые рассчитанной ещё Галилеем.

Таким образом, когда мы исследуем движение мяча или бублика, основываясь на законах Ньютона, мы пользуемся тем, что сегодня принято называть эффективной теорией. Более полная теория должна была бы включать в описание взаимодействие кварков и электронов или, по крайней мере, атомов. Но мы можем объединять всё, не вносящее вклада в окончательный результат степени свободы, во что-то, что называем мячом, под которым мы, разумеется, подразумеваем центр масс этого мяча. Описание движения всех макроскопических объектов сводится к эффективной теории движения центра масс. Эффективная теория движения мяча — это всё, что нам нужно, и эта теория позволяет сделать так много, что заслуживает права считаться фундаментальной. Итак, я утверждаю, что все физические теории, по крайней мере те, которыми сегодня пользуются физики, являются эффективными теориями. Всякий раз, когда вы что-то включаете в теорию, вы чем-то пренебрегаете.

Полезность эффективных теорий была осознана ещё на раннем этапе развития квантовой механики. К примеру, одни из классических методов представления поведения молекул в квантовой механике, восходящий к работам 1920-х годов, состоит в разделении степеней свободы молекул на «быстрые» и «медленные». Так как ядра атомов, из которых состоят молекулы, очень тяжёлые, то их отклик на действие молекулярных сил будет гораздо более слабым и медленным, чем отклик, скажем, лёгких электронов, быстро вращающихся вокруг ядер. В этом случае можно использовать для предсказания свойств молекул следующий алгоритм: сначала будем считать ядра неподвижными и рассчитаем движение электронов относительно них; затем позволим ядрам медленно двигаться, считая, что это движение не оказывает существенного влияния на движение электронов относительно ядер. Конфигурация электронов теперь будет плавно следовать за движением ядер, которое, в свою очередь, окажет влияние только на некий усреднённый параметр электронной конфигурации. Таким образом, мы «отделяем» взаимодействие отдельных электронов от движения ядер.

Затем можно построить эффективную теорию движения атомных ядер, которая будет явно отслеживать только ядерные степени свободы, а электронную конфигурацию учитывать лишь как некий усреднённый параметр. Это приближение квантовой механики известно под названием теория Борна — Оппенгеймера. Она напоминает классическое описание движения мяча, при котором отслеживается движение его центра масс и дополнительно учитывается вращение мяча относительно центра масс.

Возьмём другой, более свежий пример, относящийся к сверхпроводимости. Я рассказывал, как в сверхпроводнике пары электронов объединяются в когерентную конфигурацию. Для описания такого состояния вещества нет необходимости описывать каждый электрон индивидуально, поскольку для того, чтобы один электрон повёл себя отличным от остальных электронов образом, требуется затратить слишком много энергии. Итак, мы имеем возможность построить эффективную теорию, которая описывала бы когерентную конфигурацию как единое целое. Такая теория, идея которой была предложена в 1935 году Фрицем Лондоном, была построена в 1950 году советскими физиками Львом Ландау и Виталием Гинзбургом. Она достоверно воспроизводит все основные макроскопические особенности сверхпроводящих материалов, включая эффект Мейснера, вызываемый тем, что фотоны в сверхпроводнике приобретают эффективную массу.

Я уже говорил, что разделение параметров задачи на существенные и несущественные переменные само по себе не является чем-то новым. Объединение квантовой механики с теорией относительности потребовало вообще выкинуть несущественные переменные, причём для того, чтобы получить конечный практический результат, потребовалось выкинуть не несколько, а бесконечное количество переменных. К счастью, Фейнман с коллегами показали, что это можно делать безнаказанно.

Давайте рассмотрим этот ключевой момент на более конкретном примере столкновения двух электронов. Классическая электродинамика говорит нам, что электроны будут отталкиваться друг от друга. Если электроны первоначально движутся очень медленно, они никогда не приблизятся друг к другу на расстояние, на котором становятся существенными квантовые эффекты, и для описания движения таких электронов достаточно классической максвелловской теории. Но если они движутся достаточно быстро, чтобы сблизиться на расстояние, сравнимое с размером атома, квантово-механическое описание становится насущно необходимым.

Что «видит» электрон, реагируя на электрическое поле другого электрона? В вакууме постоянно происходит рождение и уничтожение пар частиц и античастиц. Положительно заряженные виртуальные частицы притягиваются к электрону, отрицательные — отталкиваются.

Таким образом, электрон в некотором смысле постоянно носит на себе «шубу» из виртуальных частиц. Поскольку большинство этих частиц выскакивают из вакуума на чрезвычайно короткое время и не успевают пролететь большое расстояние, размер этой шубы довольно мал. На больших расстояниях можно объединить эффект воздействия всех виртуальных частиц, просто подправив заряд электрона.

Поступая таким образом, мы складываем в единое число все микроскопические особенности электрического поля, возникающего за счёт окружающей электрон шубы из виртуальных частиц. Это число представляет собой тот самый эффективный заряд электрона, значение которого записано в школьных учебниках, — именно этот заряд мы измеряем в лабораториях и затем используем при расчётах, например, электронно-лучевых трубок.

Таким образом, заряд электрона является фундаментальной физической величиной только в той мере, в какой он описывает электрон на определённом масштабе явлений! Если электроны сближаются на расстояние, сравнимое с размером окружающей каждый из них виртуальной «шубы», то они оставляют часть этой «шубы» позади, и эффективный заряд каждого из электронов изменяется. В принципе то же самое происходит и при лэмбовском сдвиге. Это пример механизма влияния виртуальных частиц на измеряемые свойства реальных частиц, приводящего к тому, что эффективный заряд электрона оказывается разным на разных расстояниях, и мы способны зарегистрировать эту разницу экспериментально.

Если нас интересуют только результаты экспериментов, выполняемых на некоторых определённых или больших расстояниях, и соответственно на некоторых определённых или меньших энергиях электронов, то мы можем написать полную эффективную теорию, которая будет предсказывать результаты всех измерений. Эта теория будет представлять собой квантовую электродинамику с соответствующими свободными параметрами — зарядом электрона и т. п., привязанными к определённой шкале расстояний, определяемой требуемой точностью измерений. При всех таких расчётах мы вынуждены отбрасывать бесконечное количество информации, а именно информацию о виртуальных процессах, происходящих на расстояниях, меньших чем мы в состоянии измерить.

Может показаться чудом, что мы можем вот так запросто выбросить из теории огромное количество информации, и какое-то время это казалось чудом даже для самих изобретателей такой процедуры, например, Фейнман называл подобный приём «заметанием мусора под ковёр». Но после некоторых размышлений теоретики пришли к выводу, что если физика вообще возможна, то она и должна «работать» именно таким образом. В конце концов, информация, которую мы отбрасываем, не должна быть корректной! Каждое измерение, которое мы выполняем в нашем мире, подразумевает некоторый масштаб длины или энергии. Наши теории ограничиваются масштабом физических явлений, на которых работают наши измерительные приборы. Эти теории могут предсказывать всё что угодно за пределами возможностей наших измерений, но почему мы должны принимать во внимание эти предсказания, если мы принципиально неспособны их проверить? Было бы замечательно, если бы теория, описывающая взаимодействие электронов с фотонами, давала абсолютно правильные предсказания для любых расстояний, вплоть до бесконечно малых. Но есть ли смысл в таких предсказаниях, если мы принципиально неспособны проводить измерения на сколь угодно малых расстояниях? Конечно, нет. Ведь в этом случае мы получили бы теорию, предсказывающую некие экзотические процессы, в отношении которых мы не имеем ни малейшего понятия, как их наблюдать. Поэтому разумнее выбросить из рассмотрения такие процессы, по крайней мере до тех пор, пока у нас не появится хотя бы какое-то их понимание. Если теория претендует на правильное предсказание любых явлений на любых масштабах, в то время как мы не в состоянии наблюдать что-то на этих масштабах, то это означало бы, что мы создали теорию всего до того, как мы создали теорию чего-нибудь.

Как, столкнувшись с подобной ситуацией, узнать, является ли теория «фундаментальной», то есть является ли она истинной на всех масштабах? Никак. Все известные физические теории должны рассматриваться как эффективные теории именно потому, что нам следует игнорировать последствия новых квантовых явлений, которые могут возникать на очень малых масштабах, чтобы выполнить вычисления, позволяющие определить, правильные ли предсказания даёт теория на больших, доступных для непосредственного измерения масштабах.

Но, как это часто бывает, недостаток оказывается достоинством. В начале книги мы смогли вывести некоторые свойства суперконя путём масштабирования обычного коня — так же и в физике, опираясь на тот факт, что физические законы зависят от масштаба, мы в состоянии предсказать, как они должны меняться при переходе к исследованию природы на всё меньших и меньших расстояниях. Сегодняшняя физика даёт чёткий ориентир для физики завтрашней!

Мы действительно можем заранее предсказать, когда нам потребуется новое открытие. Всякий раз, когда физическая теория предсказывает ерунду либо становится математически непоследовательной при попытке учесть последствия виртуальных квантово-механических процессов на всё меньших масштабах, мы вправе ожидать открытия новых физических явлений, способных «вылечить» такое поведение теории. Развитие современной теории слабого взаимодействия является тому примером. Энрико Ферми создал в 1934 году теорию, описывающую один из видов слабого взаимодействия — бета-распад нейтрона на нейтрино, протон и электрон. Теория Ферми основывалась на эксперименте и пребывала в согласии со всеми известными данными. Однако «эффективность» его теории, созданной исключительно для описания распада нейтрона на три другие частицы, состояла в том, что это была теория ad hoc, она не была основана ни на каких физических принципах, выходящих за пределы конкретных экспериментов.

Вскоре после создания квантовой электродинамики стало ясно, что теория Ферми принципиально отличается по своему характеру от КЭД. Когда она выходит за рамки простого бета-распада и пытается описать то, что происходит на меньших расстояниях, возникает множество проблем. Виртуальные процессы, идущие на расстояниях, в сотни раз меньших размера протона, превращают предсказания теории в полную кашу.

Это долгое время не являлось большой проблемой, поскольку в течение более чем 50 лет после создания теории Ферми ни в каких экспериментах описанные выше условия не достигались. Тем не менее теоретики загодя начали искать возможное «лекарство» для расширения модели Ферми.

Первый шаг в этом направлении был очевиден: требовалось вычислить расстояния, на которых у теории начинаются проблемы. Это расстояние оказалось примерно в 100 раз меньше, чем размер нейтрона, то есть намного меньше, чем расстояния, когда-либо ранее доступные экспериментаторам. Самый простой способ «вылечить» теорию, как я уже сказал, заключается в предположении существования новых физических процессов, идущих на таких расстояниях. Наиболее очевидным было придумать новые виртуальные частицы с массой примерно в 100 раз больше массы нейтрона. Из-за огромной массы эти частицы могут возникать только на очень короткое время и, соответственно, за время своего существования передвигаться на очень малые расстояния. Модифицированная таким способом теория даст на больших расстояниях — на которые новые тяжёлые виртуальные частицы неспособны долететь за время своего существования — те же предсказания, что и теория Ферми.

Мы уже видели, что позитроны, являющиеся партнёрами виртуальных электронов, предсказанных КЭД, могут существовать как реальные, регистрируемые частицы, если имеется достаточно энергии для их создания. Точно так же, при наличии достаточной энергии можно вытащить из виртуального состояния в реальное и сверхтяжёлые частицы, необходимые для модификации теории Ферми. И действительно, W- и Z-бозоны с предсказанными массами были непосредственно обнаружены в качестве реальных частиц на построенном в 1984 году в Женеве ускорителе спустя двадцать пять лет после теоретического обоснования необходимости их существования.

Как я уже говорил, W- и Z-бозоны составляют часть того, что сегодня известно как Стандартная модель физики элементарных частиц, описывающая три из четырёх фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное. Эта теория является кандидатом на звание фундаментальной, которой не требуется никаких новых виртуальных процессов на очень малых масштабах, кроме тех, которые уже включены в теорию. Таким образом, хотя никто на самом деле в это не верит, Стандартная модель вполне могла бы в этом смысле быть полной теорией. С другой стороны, ничто не запрещает существование новой физики, работающей на очень малых масштабах. Более того, имеются весьма весомые теоретические аргументы в пользу того, что такая физика должна существовать, о чём я ещё расскажу.

В то время как теории, подобные теории Ферми, являются «больными», то есть дают прямые указания на необходимость их «лечения» путём введения новой физики на малых масштабах, а теории, подобные Стандартной модели, такими «болезнями» не страдают, последние тоже указывают на возможность существования новых явлений на малых масштабах, потому что они являются масштабно-зависимыми, а именно они чувствительны к тому, на каких характерных расстояниях мы проводим эксперименты для определения их основных параметров. В то время как мы включаем в рассмотрение процессы с участием виртуальных частиц, происходящие на всё меньших и меньших расстояниях, чтобы получить согласие с измеряемыми в соответствующих экспериментах параметрами, эти параметры, по мере того как мы проникаем всё глубже в структуру материи, меняются предсказуемым образом! По этой причине свойства орбитального электрона, взаимодействующего с атомным ядром, отличаются от свойств электрона, который участвует во взаимодействии с частицами внутри атомного ядра. Но самое главное, что это отличие может быть рассчитано!

Это замечательный результат. Хотя мы должны отказаться от мысли, что Стандартная модель — это единая, непререкаемая теория, применимая на всех масштабах, она порождает континуум эффективных теорий, каждая из которых применима на соответствующем масштабе, и мы можем вычислить, как они себя ведут при изменении масштаба. Имея настолько хорошо ведущую себя теорию, как Стандартная модель, мы способны предсказать, как должны измениться законы физики при изменении масштаба!

Откровение о зависимости законов физики от масштаба явлений пришло достаточно поздно и нашло отражение в работах Кеннета Вильсона, опубликованных им в 1960-х годах. За эти работы Вильсон был удостоен Нобелевской премии. Эти идеи берут начало в физике конденсированных сред. Напомню, что масштабно-зависимое поведение материалов является важной особенностью, определяющей их свойства вблизи фазового перехода. Например, обсуждая процесс закипания воды, мы рассматривали изменение её свойств на разных масштабах. В случайно выбранном маленьком объёме у нас может оказаться и жидкая вода, и пузырёк пара, но при переходе к большим объёмам локальные флуктуации усредняются и «в среднем по кастрюле» вода оказывается жидкой. То есть, переходя к бо́льшим масштабам, мы выкидываем из рассмотрения детали, существенные на меньших масштабах и несущественные на бо́льших, если нас интересуют макроскопические свойства жидкой воды.

Однако если у нас есть фундаментальная теория воды, включающая описание её поведения на малых масштабах, мы можем попытаться точно вычислить, как будет влиять на макроскопические свойства воды включение в расчёт её микроскопических свойств. Так, можно рассчитать все свойства материалов вблизи критической точки, где, как я уже говорил, становится важным масштабно-зависимое поведение вещества. Те же самые методы применимы и к описанию фундаментальных физических взаимодействий. Теории, подобные КЭД, содержат в себе семена своей собственной зависимости от масштаба.

Масштабные соображения открывают перед физиками новый мир. Я проиллюстрирую, как это происходит, на примере сферического коня из начала книги. Определив экспериментально плотность обычного коня и прочность его шкуры, я затем могу предсказать свойства суперконя.

Может ли в таком случае Теория сферического коня в вакууме претендовать на роль Общей теории коней? Априори мы не можем доказать это утверждение, но у нас есть по крайней мере три различных способа его опровергнуть. Наше предположение будет ложным, если:

• на каком-то масштабе теория предсказывает ерунду;

• существует более простая модель, чем сферический конь, предсказания которой совпадают с предсказанием Теории сферического коня;

• мы можем поставить эксперимент, который на каком-то масштабе даст результат, противоречащий предсказаниям теории.

Вот пример такого эксперимента. Допустим, я бросаю в сферического коня маленький кристаллик соли. Теория предсказывает, что кристаллик отскочит от коня:

Проведя серию экспериментов с реальным конём, я обнаруживаю, что кристаллик соли отскакивает от коня не всегда. Он не отскакивает, например, если попадает коню в рот.

Точно так же изучение зависимости законов природы от масштаба явлений даёт учёным в руки орудия для охоты на новые фундаментальные физические законы. Классическим примером является история изучения слабого взаимодействия А вот ещё несколько примеров.

Масштабирование фундаментальных законов физики можно производить как «вверх», так и «вниз». В отличие от экономики, в физике оба этих метода прекрасно работают. Мы можем исследовать поведение теории на всё меньших масштабах в попытке обнаружить на этом пути новые идеи. Или же, наоборот, имея теорию, описывающую то, что происходит на очень малых масштабах, недоступных нашей измерительной аппаратуре, мы можем путём усреднения мелкомасштабных флуктуации рассчитать её предсказания на более крупных масштабах, таких, на которых мы уже способны проверить предсказания экспериментально.

Эти два подхода охватывают весь спектр сегодняшних исследований на передовом рубеже науки. В главе 2 я описал историю создания теории сильного взаимодействия, которое связывает кварки внутри протонов и нейтронов. Важнейшую роль в ней играет идея асимптотической свободы. Теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД) — отличается от КЭД эффектом, который создаёт облако виртуальных частиц. В КЭД этот эффект приводит к появлению «шубы», окружающей электрон и экранирующей его электрический заряд для удалённого наблюдателя. Чем ближе мы находимся к электрону, тем больший эффективный заряд мы наблюдаем. В то же время, как обнаружили Вильчек и Политцер, сильный заряд кварка в КХД ведёт себя наоборот. Чем ближе друг к другу находятся кварки, тем слабее они взаимодействуют друг с другом: «шуба» из виртуальных частиц не уменьшает, а увеличивает эффективный сильный заряд кварка для удалённого наблюдателя!

Вооружившись теорией, правильно описывающей взаимодействие кварков на малых расстояниях, можно попытаться проследить, что происходит при увеличении масштаба. Перейдя к расстояниям, сравнимым с размерами протонов и нейтронов, путём усреднения флуктуации, связанных с поведением отдельных кварков, можно надеяться получить эффективную теорию, описывающую поведение протонов и нейтронов. К сожалению, из-за того что взаимодействие кварков на таких расстояниях оказывается очень сильным, никому до сих пор не удалось получить хорошей согласованности расчётов с экспериментом, но есть надежда, что с дальнейшим ростом вычислительных мощностей и производительности компьютеров эта задача будет в конце концов решена.

Большой успех масштабируемого подхода к теории сильного взаимодействия в начале 1970-х годов придал теоретикам смелости устремиться дальше в глубины материи, на расстояния, ещё недоступные ускорителям того времени. В этом смысле они стали последователями Льва Ландау — советского Фейнмана. В 1950-х годах этот блестящий физик уже показал, что электрический заряд электрона эффективно увеличивается при уменьшении расстояния между электроном и пробной частицей. Если быть точным, то он показал, что если экстраполировать предсказания КЭД на невообразимо малые расстояния, то эффективный электрический заряд электрона становится чрезвычайно большим. Вероятно, это был первый «звонок» к изменению КЭД, хотя в то время результат Ландау ещё не воспринимался как обоснование необходимости модификации КЭД на малых масштабах.

В КЭД взаимодействие становится сильнее, по мере того как растут энергии участвующих во взаимодействии частиц, а в КХД, наоборот, с ростом энергии частиц взаимодействие между ними ослабевает. Поведение слабого взаимодействия находится где-то посередине между этими двумя случаями. Примерно в 1975 году Говард Джорджи, Хелен Куинн и Стивен Вайнберг выполнили вычисления, которые изменили наше представление о границах высоких энергий. Они исследовали поведение сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий на различных расстояниях и получили потрясающий результат. Оказалось, что на расстояниях примерно на пятнадцать порядков меньших, чем когда-либо исследовавшихся в лабораториях, сила всех трёх фундаментальных взаимодействий становится одинаковой. Именно этого можно было бы ожидать, если бы в природе существовала какая-то новая, неизвестная ранее симметрия, проявляющаяся на указанных расстояниях.

Идея о существовании такой симметрии, имеющей отношение ко всем трём фундаментальным взаимодействиям, была независимо от Джорджи высказана Глэшоу. Представление о том, что с уменьшением масштаба Вселенная должна становиться всё более симметричной, идеально согласуется с этим открытием. Так началась эпоха теории Великого объединения, в которой все фундаментальные взаимодействия, за исключением гравитации, сводятся на достаточно малых масштабах к единому универсальному взаимодействию.

Однако по прошествии нескольких десятков лет у нас по-прежнему нет никаких прямых доказательств того, что эта невероятная экстраполяция является правильной. Последние исследования на суперускорителях типа Теватрона или БАК вроде бы дают косвенные свидетельства в пользу возможности Великого объединения, но тут теоретики обнаружили, что никакого объединения не получится, если мы не дополним существующую Стандартную модель новым феноменом, который получил название суперсимметрия.

Суперсимметрия, как следует из названия, представляет собой ещё один тип симметрии в мире элементарных частиц. Давно известно, что все элементарные частицы могут быть разделены на два типа, получившие названия фермионы и бозоны. Фермионы, названные в честь Энрико Ферми, это частицы, квантово-механический момент количества движения которых, называемый спином, имеет полуцелое значение (в единицах постоянной Планка): 1/2, 3/2 и так далее. Бозоны, получившие название в честь индийского физика Шотендроната Бозе, относятся к частицам, спин которых имеет целое значение: 0, 1, 2…

Поведение фермионов и бозонов радикально различается. Тот факт, что электроны являются фермионами, отвечает, например, за существование химии в том виде, в каком мы её знаем. Как впервые показал Вольфганг Паули, два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Из-за этого электроны в атоме вынуждены оставаться на более высоких энергетических уровнях, если более низкие уже заняты другими электронами.

В то же время бозоны не только могут существовать в одном и том же квантовом состоянии, но и стремятся в него попасть, если там уже находятся другие бозоны. Это приводит к образованию таких когерентных состояний, как бозе-конденсат. Например, фоновые поля, приводящие к спонтанному нарушению фундаментальных симметрии Вселенной, представляют собой подобные бозе-конденсаты. Недавно при весьма специфических условиях экспериментаторам удалось создать в лаборатории бозе-конденсат, состоящий из сотен или тысяч атомов. В надежде, что эти очень специфические конфигурации могут привести в будущем к созданию новых технологий, авторы первых экспериментов по созданию бозе-конденсата были удостоены Нобелевской премии.

Несмотря на такое сильное различие между поведением фермионов и бозонов, суперсимметрия ставит в соответствие каждому фермиону суперсимметричного партнёра — бозон, а каждому бозону — суперсимметричный фермион. Суперсимметрия предполагает, что суперпартнёры во всём, что не касается величины их спина, должны быть полностью идентичными, то есть иметь одинаковый заряд и массу и так далее. Как можно заметить, ничего подобного в природе не наблюдается. Но вы наверняка уже догадываетесь, каким будет моё объяснение этого феномена. Если суперсимметрия является нарушенной симметрией, то суперпартнёры известных нам фермионов и бозонов могут оказаться настолько тяжёлыми, что мы попросту пока не в состоянии обнаружить их на существующих ускорителях.

Что может послужить мотивацией для введения новой математической симметрии, которая никак не проявляется в наблюдаемом мире? Так же, как в случае Стандартной модели, введение такой симметрии может разрешить некоторые парадоксы существующей теории. На самом деле последовательное обоснование причин для введения нарушенной суперсимметрии в теорию элементарных частиц слишком сложно, чтобы приводить его здесь; я попытался сделать это в другой недавно вышедшей книге. Одной из главных причин, однако, является то, что эта симметрия может помочь объяснить, почему электрослабое взаимодействие проявляется на гораздо более малых расстояниях, чем гравитационное.

Есть ещё один интересный момент. Если предположить, что суперсимметрия действительно существует и нарушается на расстояниях намного меньших, чем характерные расстояния, на которых нарушается симметрия электрослабого взаимодействия, а затем добавить в теорию множество новых тяжёлых частиц, которые затем учесть в расчётах силы известных взаимодействий, то силы всех взаимодействий сравняются на расстояниях приблизительно на шестнадцать порядков меньших, чем размер протона.

Независимо от того, верна эта идея или нет, она больше, чем любая другая, повлияла на умы послевоенных физиков, направив их усилия на поиски новых физических явлений на таких масштабах, которые мы ещё долго не сможем изучать в наших лабораториях. Мне трудно объективно оценить, хорошо это или плохо. Тесная связь между теорией и экспериментом, которая в прежние времена направляла развитие физики, сегодня резко ослабла, после того как физики сделали ставку на возможность объединения всех физических взаимодействий, включая гравитацию.

В физике, а конкретно в астрономии, уже на другом конце шкалы расстояний — на космологических масштабах — существует ещё одна проблема, бросающая вызов учёным в течение уже почти ста лет. Теория слабого взаимодействия Ферми — не единственная теория, требующая «лечения» при высоких энергиях и на малых расстояниях. Другой такой теорией является общая теория относительности. При попытке соединить теорию гравитации с квантовой механикой возникают многочисленные проблемы. Главной из них является проблема расходимости решения при попытке учесть влияние всех виртуальных частиц, которая становится непреодолимой на расстояниях, примерно на девятнадцать порядков меньших, чем размер протона. Как и теория Ферми, общая теория относительности не представляется теорией, которая в её нынешнем виде может быть последовательно согласована с квантовой механикой. Возможно, что нам опять потребуется придумывать какую-то новую физику, которая способна изменить поведение теории на таких малых масштабах.

Наиболее популярным кандидатом на роль этой новой физики сегодня является теория струн. На таких расстояниях, где взаимодействие виртуальных частиц становится столь запутанным, что делает невозможным построение квантовой гравитации, теория струн даёт нам новый математический аппарат, позволяющий избежать указанных проблем. Более того, гравитация сама естественным образом «возникает» в самом основании теории струн. Единственная загвоздка состоит в том, что струны как квантовые объекты не имеют никакого смысла в четырёх измерениях. Для получения последовательной теории пространство, в котором «живут» струны, должно иметь по крайней мере десять, а лучше — одиннадцать измерений, шесть или семь из которых являются скрытыми.

После своих первых успехов теория струн была разрекламирована как Теория всего, или, используя более актуальное для нас определение, как Окончательная физическая теория. Она претендовала на роль действительно фундаментальной теории, применимой на всех уровнях. Новые симметрии должны были положить конец масштабной зависимости теории, которая теперь могла стать действительно полной, то есть не требовать введения новой физики на малых масштабах и естественным образом переходить в классическую физику на больших.

В то время, когда делались все эти оптимистические заявления, многие из нас были настроены скептически, и до настоящего времени этот скептицизм остаётся оправданным. Сегодня уже ясно, что сами струны не являются кирпичиками нашего мира и должны быть заменены ещё более фундаментальными объектами, требующими для своего описания ещё большего числа измерений пространства. Кроме того, даже после 30 лет неимоверных усилий выдающихся теоретиков прогресс, достигнутый в теории струн, остаётся, мягко говоря, скромным. Теория струн пока что является скорее надеждой на теорию, чем фактической теорией, и помимо теоретических соображений нет никаких других доказательств, что теория струн вообще имеет что-то общее с реальным миром.

Любая Теория всего, помимо прочего, должна отвечать и на главный вопрос, который очень интересовал Эйнштейна и не меньше интересует меня: возможен ли какой-либо произвол при создании Вселенной? А именно существует ли только один возможный непротиворечивый набор физических законов, такой, что если изменить любой из них, то всё мироздание неминуемо рухнет? Надежда получить точный и обоснованный ответ на этот вопрос вдохновляла исследователей на протяжении столетий, и первые успехи теории струн, казалось, свидетельствовали о том, что эта надежда вот-вот воплотится в реальность.

Существует ещё одна возможность, и удивительно, как много теоретиков ухватились за неё, когда стало понятно, что теория струн не является уникальной теорией. Оказалось, что в зависимости от того, как мы добавляем к нашему пространству дополнительные шесть или семь измерений, можно построить порядка 10⁵⁰⁰ различных непротиворечивых теорий струн, которые будут приводить к описанию такого же множества различных четырёхмерных вселенных, в каждой из которых будут действовать свои собственные законы физики. Вместо объяснения, почему Вселенная должна выглядеть именно такой, какой мы её наблюдаем, теория струн сделала почти противоположное: она показала, что Вселенная может выглядеть как угодно!

В этой ситуации учёные были вынуждены сформулировать принцип, согласно которому наша Вселенная выглядит именно такой только потому, что мы в ней живём! Согласно этому принципу, жизнь возможна только в очень небольшом подмножестве огромного набора возможных вселенных, которые, в свою очередь, могут существовать все одновременно в отдельных областях пространства и времени. В этом случае только вселенные с физиками внутри, способными задавать вопросы об устройстве вселенной, будут похожи на нашу Вселенную. Этот принцип, получивший название антропного, наиболее кратко можно сформулировать так: «Мы открываем определённые физические законы, потому что законы, отличные от наших, открывать некому». Может быть, это правда, и в этом случае известные нам законы физики не более чем случайное стечение обстоятельств.

Однако мне не хотелось бы заканчивать эту книгу спекуляциями вокруг Теории всего или Теории ничего. Точно так же можно утверждать, что в поисках универсальной истины мы находимся в универсальном заблуждении. Может быть, по мере бесконечного углубления в дебри строения материи, мы будем обнаруживать всё новые и новые физические законы, и конца этому не будет. Важно, что это не имеет никакого значения! Мы узнали, что способны создавать эффективные теории, отделяющие явления, с которыми мы имеем дело, от тех, которые нам ещё предстоит обнаружить. Даже если теория струн не окажется Теорией всего, она по-прежнему будет оставаться Теорией чего-то. Даже если она не прояснит загадку тёмной энергии, её можно будет использовать, например, для объяснения того, как сферические кони переваривают пищу или почему они имеют именно такие размеры.

Научная истина не требует, чтобы теории, при помощи которых мы её познаём, были по-настоящему фундаментальными. В этом смысле физика всё ещё чётко руководствуется принципами, сформулированными 400 лет назад Галилеем, принципами, которым я следовал на протяжении всей книги. Все наши замечательные теории базируются на тех или иных приближениях, которые мы используем совершенно безнаказанно. Выбирая, какой физической величиной можно пренебречь, мы руководствуемся масштабными и размерными соображениями, позволяющими нам определить, что в интересующей нас задаче существенно, а что нет. Всё это время мы пытаемся творчески адаптировать то, что уже работает, к новым ситуациям. Поступая таким образом, мы обнаруживаем замечательную скрытую Вселенную, существующую за пределами наших ограниченных человеческих чувств, Вселенную, гораздо более простую и симметричную, чем та, которая дана нам в ощущениях. И всюду, куда мы ни бросим взгляд, нас по-прежнему окружает табун сферических коней.

Эта книга не появилась бы на свет, по крайней мере в её нынешнем виде, если бы не участие большого количества людей. Всё началось с того, что Мартин Кесслер, президент Basic Books, почти двадцать лет назад подловил меня за завтраком на идее написать книгу о том, как физики думают о физике. Через год мы подписали контракт, который предоставлял мне возможность написать ещё одну книгу для Basic — на свой выбор. Руководитель проекта, Ричард Либманн-Смит, стал впоследствии моим хорошим другом и, прежде чем он покинул Basic Books, мы много раз обсуждали будущую книгу, что позволило уточнить многие детали изложения.

Книга «Страх физики» в итоге получилась заметно отличающейся от первоначального замысла. Она стала чем-то, что, как я надеялся, захотела бы прочитать моя жена Кейт. Я постоянно тестировал на ней все свои дидактические идеи и не отправлял редактору очередную главу, пока она не получала полное одобрение моей жены. Старший научный редактор Basic Books Сьюзан Рабинер сыграла важную роль в завершении работы над первым изданием. Она убедила меня, что мой новый взгляд на популяризацию науки весьма перспективен и, что более важно, Basic Books готово продавать подобные книги. После того как я подготовил первую главу, Сьюзан с головой ушла в наш проект. Её энтузиазм постоянно подстёгивал меня в работе над книгой. В результате я смог совершить невероятное для самого себя — сдать рукопись в срок.

В ходе работы над книгой я имел возможность обсуждать различные идеи с разными людьми. Как я уже сказал, моя жена исполняла роль первого фильтра на пути рукописи к читателю. Я также хотел бы поблагодарить многочисленных студентов, которым я многие годы читал курс «физики для не-учёных». Они помогли мне улучшить формулировки, сделав какие-то части изложения более понятными. Боюсь, что я приобрёл от этого сотрудничества больше, чем они. Я также отправил мою работу в научный центр Онтарио с просьбой оценить, что из изложенного могло бы только показаться непонятным нефизикам, а что на самом деле будет непонятным — зачастую это две разные вещи. Наконец, как непосредственно, так и косвенно на мою работу повлияли мои учителя, а позднее — мои коллеги и соавторы. В этом списке слишком много людей, чтобы перечислять их поимённо. Те, о ком я говорю, знают это, и я благодарю их. Я надеюсь, что любой, читающий эту книгу, сразу поймёт, какую важную роль в становлении моего физического мышления сыграл Ричард Фейнман, впрочем, в этом отношении я не одинок. Я также хочу поблагодарить Субира Сашдева за полезные обсуждения, которые помогли мне при написании раздела о фазовых переходах, Мартина Уайта и Джулеса Колемана за чтение рукописи и ценные комментарии и Жатиллу ван дер Веен-Дэвис и Дженнифер Элизабет Марш за использование книги при чтении вступительного курса физики в Университете Калифорнии и замеченные ошибки.

Последней по порядку, но не по важности, я хотел бы принести благодарности моей дочери Лили за предоставление её компьютера на то время, пока мой находился в ремонте. В самом прямом смысле эта книга не появились бы на свет без её помощи. Лили и Кейт принесли в жертву моей работе над книгой самое ценное, что у них было, — своё личное время, и теперь, по завершении всего, я собираюсь поступить также.