Эпилог: умещается ли вселенная на почтовой марке?
Одно уравнение, одна вселенная
На протяжении всех глав мы попытались дать обзор большинства явлений, происходящих вокруг нас. Мало-помалу мы нашли ответы на все вопросы, которые были заданы в предисловии.
На фундаментальном уровне мы рассказали о том, что такое материя и свет, почему иногда материя образует твердые тела, иногда жидкости, а иногда газы. Что такое звук и как он распространяется. Что скрывается за словом «энергия», происхождение химических и ядерных реакций и так далее.
Мы также постигли суть природных явлений, которые нас окружают: образование звезд, происхождение теплоты и солнечного света, движение ветров и океанов на Земле, цвет неба и моря, магнитное поле земли, снижение температуры на высоте и так далее.
Наконец, мы смогли объяснить некоторые аспекты работы разных приборов: печей, ламп, холодильников, радио, компьютеров, двигателей, самолетов, электростанций и так далее. В подавляющем большинстве случаев мы смогли привести эти феномены к детерминистскому действию двух сил: гравитации (иногда) и электростатической силы (почти все явления, которые нас окружают). Единственным исключением являются процессы, происходящие внутри атомов, а также химические и ядерные реакции.
Так, почти все явления, которые нас окружают, можно резюмировать в одном математическом выражении, которое синтезирует сущность классической физики, дополненной специальной теорией относительности:
Мы не пытаемся определить каждый из этих математических терминов, физический смысл которых мы уже описали в этой книге. Приведенное выше уравнение – не что иное, как дифференциальный закон движения (второй закон Ньютона), примененный с учетом релятивистских феноменов, в то время как F→;grav и F→;elec – сила гравитации и электростатическая сила. Полюбуемся на эту линию: вся природа (в нашем масштабе) сосредоточена в ней.
Парадигма общей теории относительности немного меняет уравнение, поскольку она заменяет гравитацию пространством-временем, искривленным материей. Но это больше относится к процессам микроскопического масштаба, на уровне атомов, которым необходимо изменить и дополнить свои формулы. Неточечный характер элементарных частиц заставляет отбросить дифференциальный закон движения в пользу другого – уравнения Шрёдингера. Более того, случайность при превращении волны в частицу добавляет сложность квантовой физике, не охваченной этим уравнением, заставляя исчезнуть детерминизм.
Если уравнение Шрёдингера слишком сложное, чтобы написать его в этой книге, ему все-таки присуща математическая лаконичность. Надо еще ограничиться гравитацией и электростатической силой: если мы хотим принять во внимание две дополнительные силы (сильного и слабого взаимодействия), действующие лишь на микроскопическом уровне, но необходимые для правильной работы Вселенной, приходится признать, что записать все в одну строчку становится слишком сложно…
Но где физика, такая, какой она известна сейчас, действительно выходит из берегов – так это в области характеристик самих элементарных частиц: масса, заряд, спин. Каждая элементарная частица обладает собственным значением, и очень сложно объяснить почему. Все, что можно констатировать, это что если бы эти частицы обладали немного другим значением массы или заряда, во Вселенной не смогли бы сформироваться звезды и планеты и жизни не существовало бы.
В основе этого утверждения лежит антропный принцип: в тех мирах, где эти параметры другие, жизни нет, следовательно, нас там нет, чтобы в этом убедиться. Таким образом, все зависело бы от аспекта наблюдения: единственные видимые элементарные частицы те, которые обеспечивают наше существование, оправдывая наблюдаемые параметры. Все равно как если бы рыбка спросила, почему окружающая среда, в которой она живет, жидкая. Ответ: потому что иначе рыбки бы не было, чтобы задать этот вопрос. Но это не мешает существовать другой среде, недоступной ее органам чувств.
Между тем это утверждение не объясняет всего. На каждую обычную элементарную частицу приходится две более тяжелые и менее стабильные частицы, обладающие похожими свойствами. Например, у электрона есть два более редких коллеги, мюон и тау-лептон. Эти дополнительные частицы выглядят не слишком полезными и усложняют и без того уже длинный список. Это делает неустойчивым антропический взгляд на Вселенную, который мы только что предложили, и отдаляет нас от прекрасного единства фундаментальной физики, которое мы выдвинули на передний план.
Именно в сторону этой области направлено будущее фундаментальной физики. Стандартная модель, которой придерживаются сейчас, была предложена лишь в 1970-е гг., и ее опытное подтверждение продолжается в наши дни, как показывает обнаружение бозона Хиггса в 2012 г. Пока еще не хватает общего взгляда на совокупность всех частиц, как в конце XIX в. не хватало единой теории, чтобы связать вместе все составляющие классической физики.
Для достижения такого общего взгляда выдвинуты новые теории. Прекрасным примером таких теорий служит гипотеза суперсимметрии (чье описание выходит за рамки данной книги): многие физики считают, что природа не могла обойтись без столь элегантного и унитарного концепта. В своих рассуждениях они опираются на историю классической физики, которая похожа на «извилистый путь к концептуальной элегантности». Между тем сегодня прогресс науки ограничен недостатком технологических средств для экспериментального подтверждения теорий.
В то же время, независимо от этих более или менее эстетических рассуждений, в современных теориях скрыто множество более крупных подводных камней: например, общая теория относительности и квантовая физика вступают в противоречие, когда речь идет о плотности энергии, превосходящей определенный порог, как, например, внутри черных дыр. То есть две эти широкие грани современной физики в чем-то наверняка неверны или недостаточны, поскольку они несовместимы друг с другом!
Чтобы попытаться решить эту проблему, существуют другие теории: теория струн, которая также отличается большой концептуальной элегантностью, одна из них. Но здесь к экспериментальным ограничениям добавляется ограниченность возможности расчетов, что отбрасывает фазу зрелости этой теории в еще более далеко будущее.
Скорее всего, будущий прогресс фундаментальной физики будет связан с опытными наблюдениями, неожиданными для стандартной модели. Именно в этом огромное преимущество БАК и других ускорителей частиц, с помощью которых намереваются создать другие неизвестные частицы, которые выдадут «путевой лист» теории, позволяющей проникнуть глубже в суть вещей.
В этом отношении тайны бесконечно большого соседствуют с тайнами бесконечно малого. Связана ли тайна темной материи и темной энергии с существованием неизвестных частиц? Трудно сказать, будет ли следующее открытие в фундаментальной физике сделано с помощью телескопа или ускорителя частиц, но бурная деятельность в области современных исследований позволяет надеяться на стремительное развитие науки в ближайшие годы.
