4
Теория почти всего
После войны Эйнштейн – величественный гений, раскрывший перед человечеством космическую взаимосвязь вещества и энергии и разгадавший тайну звезд, – оказался в одиночестве и изоляции.
Почти все последние успехи в физике были связаны с квантовой теорией, а не с единой теорией поля. Мало того, Эйнштейн жаловался, что другие физики смотрят на него как на реликт прежней эпохи. Его цель – создать единую теорию поля – большинство физиков считало слишком сложной, особенно с учетом того, что ядерное взаимодействие оставалось пока полной загадкой.
Эйнштейн отмечал: «Большинство смотрит на меня как на какую-то окаменелость, ослепшую и оглохшую от старости. Мне эта роль представляется не слишком неприятной, поскольку довольно хорошо соответствует моему темпераменту».
В прошлом работа Эйнштейна всегда опиралась на некий фундаментальный принцип. В специальной теории относительности уравнения должны были оставаться неизменными при замене X, Y, Z и T друг на друга. В общей теории относительности это был принцип эквивалентности – то, что гравитация и ускорение могут быть эквивалентны друг другу. Но в поиске теории всего Эйнштейну не удалось отыскать для себя руководящий принцип. Даже сегодня, просматривая записные книжки и расчеты Эйнштейна, я нахожу в них множество идей, но не вижу единого принципа. Эйнштейн и сам понимал, что это обрекает его поиски на неудачу. Однажды он грустно заметил: «Мне кажется, что для реального прогресса необходимо опять выпытать у природы какой-нибудь общий принцип».
Он так и не нашел этот принцип. Однажды Эйнштейн храбро сказал, что «Бог изощрен, но не злонамерен». В последние годы жизни он разочаровался и заключил: «Я передумал. Возможно, Бог все же злонамерен».
Хотя большинство физиков игнорировало поиск единой теории поля, время от времени кто-нибудь решался попытать счастья и предлагал на суд коллег свою версию такой теории.
Даже Эрвин Шрёдингер не остался в стороне. Он скромно написал Эйнштейну: «Вы охотитесь на льва, тогда как я говорю о кроликах». Тем не менее в 1947 г. Шрёдингер провел пресс-конференцию и рассказал о своем варианте единой теории поля. На пресс-конференции появился даже премьер-министр Ирландии Имон де Валера. Шрёдингер сказал: «Мне кажется, я прав. В противном случае я буду выглядеть чертовски глупо». Эйнштейн позже сказал Шрёдингеру, что сам он тоже рассматривал такую теорию и нашел ее ошибочной. К тому же эта теория не могла объяснить природу электронов и атома.
Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули тоже заметили ошибку и предложили свой вариант единой теории поля. Паули был известнейшим циником в физике и критиком программы Эйнштейна. Известен его комментарий на эту тему: «Что Бог разорвал, человек да не соединит», иными словами, если Бог счел нужным разделить взаимодействия во Вселенной, то кто мы такие, чтобы пытаться вновь соединить их?
В 1958 г. Паули прочел в Колумбийском университете лекцию, в которой изложил единую теорию поля Гейзенберга – Паули. В аудитории присутствовал Бор. После лекции он встал и сказал: «Мы на галерке убеждены, что ваша теория безумна. Однако мы разошлись во мнениях о том, достаточно ли она безумна».
Это замечание послужило поводом для горячей дискуссии, в которой Паули утверждал, что его теория достаточно безумна, чтобы быть верной, а остальные говорили, что безумия в ней недостает. Физик Джереми Бернштейн, участник тех событий, вспоминал: «Это было страшное столкновение двух гигантов современной физики. Меня мучил вопрос, что подумал бы обо всем этом случайный посетитель-нефизик».
Бор оказался прав: позже было показано, что теория, представленная Паули, неверна.
Однако Бор тогда высказал одну важную мысль. Все простые, очевидные теории Эйнштейн с коллегами уже опробовал, и все они не оправдали надежд. Следовательно, истинная единая теория поля должна радикально отличаться от всех предыдущих подходов. Нужно нечто «достаточно безумное», чтобы претендовать на роль единой теории всего.
КЭД
Реальный прогресс в послевоенную эпоху был достигнут в создании полной квантовой теории света и электронов, получившей название квантовой электродинамики, или КЭД. Цель заключалась в объединении теории электрона Дирака с теорией света Максвелла и формулировании теории света и электронов, соответствующей канонам квантовой механики и специальной теории относительности. (Однако теория, которая объединила бы электроны Дирака с общей теорией относительности, считалась слишком сложной и в качестве цели не рассматривалась.)
Еще в 1930 г. Роберт Оппенгеймер (возглавивший позже проект по созданию атомной бомбы) заметил один глубоко тревожный факт. Всякая попытка описать квантовую теорию взаимодействия электрона и фотона приводила к тому, что квантовые поправки, вопреки ожиданиям, расходились, выдавая бесполезные бесконечные результаты. Предполагалось, что квантовые поправки должны быть маленькими, – таким принципом физики руководствовались не один десяток лет. Получалось, что попытка просто объединить уравнение электронов Дирака и теорию фотонов Максвелла несла в себе какой-то принципиально важный порок. Это мучило физиков на протяжении почти двух десятилетий. Многие работали над этой проблемой, но успеха не достигли.
Наконец в 1949 г. трое работавших независимо молодых физиков – Ричард Фейнман и Джулиан Швингер в США и Синъитиро Томонага в Японии – сумели решить эту давнюю задачу.
Успех, достигнутый ими, был несомненен: ученые получили возможность рассчитывать такие вещи, как магнитные свойства электрона, с огромной точностью. Но способ, которым они этого добились, был противоречив и до сих пор, даже сегодня, вызывает у физиков некоторую неловкость и смятение.
Начали они с уравнений Дирака и Максвелла, где задаются начальные значения массе и заряду электрона (называемые «затравочной массой» и «затравочным зарядом»). Затем они рассчитали квантовые поправки к затравочным массе и заряду. Эти квантовые поправки получились расходящимися. Собственно, именно эту проблему ранее обнаружил Оппенгеймер.
Но дальше начинается волшебство. Если мы будем считать, что первоначальные затравочные масса и заряд с самого начала были бесконечными, а затем рассчитаем для них бесконечные квантовые поправки, то обнаружим, что эти два бесконечных числа компенсируют друг друга, оставляя нам конечный результат! Иными словами, бесконечность минус бесконечность равна нулю!
Идея была безумна, но она сработала. При помощи КЭД напряженность магнитного поля электрона можно рассчитать с астрономической точностью – до одной стомиллиардной доли.
«Численное согласование теории и эксперимента здесь, возможно, самое впечатляющее во всей науке», – отметил Стивен Вайнберг. Это как рассчитать расстояние от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка с точностью до толщины волоса. Швингер так гордился этим, что велел высечь символ этого результата на своем памятнике.
Этот метод называется теорией перенормировки. Процедура эта, однако, трудоемкая, сложная и очень нудная. Буквально тысячи слагаемых необходимо вычислить с высокой точностью, и все они должны столь же точно взаимно уничтожиться. Даже крохотная ошибка в этой толстой книге уравнений может испортить весь расчет. (Не будет преувеличением сказать, что некоторые физики всю свою профессиональную жизнь проводят за вычислением при помощи теории перенормировки квантовых поправок для следующей значащей цифры.)
Из-за своей сложности процесс перенормировки не понравился даже Дираку, который с самого начала участвовал в создании КЭД. Дирак считал, что этот метод выглядит совершенно искусственным и напоминает заметание сора под ковер. Однажды он сказал: «Просто это не разумная математика. В разумной математике величиной пренебрегают, если она оказывается маленькой, а вовсе не потому, что она бесконечно велика и мешает вам!»
Теория перенормировки, способная объединить специальную теорию относительности с электромагнетизмом Максвелла, в самом деле крайне неуклюжа. Чтобы скомпенсировать тысячи слагаемых, нужно овладеть целой энциклопедией математических фокусов. Но с результатами не поспоришь.
Практические результаты квантовой революции
Это, в свою очередь, проложило путь к замечательной группе открытий, которым суждено было дать толчок третьей великой революции в истории – революции высоких технологий, включая транзисторы и лазеры, – и таким образом внести вклад в определение облика современного мира.
Возьмем транзистор, пожалуй важнейшее изобретение за последние сто лет. Он привел к информационной революции с ее телекоммуникационными системами, компьютерами и интернетом. По существу, транзистор – это вентиль, управляющий потоком электронов. Представьте себе водопроводный кран. При помощи небольшого поворота маховичка мы можем управлять потоком воды в трубе. Точно так же транзистор, как крохотный электронный вентиль, позволяет слабому электрическому сигналу управлять гораздо более мощным потоком электронов в проводнике. Это дает возможность усиливать слабый сигнал.
Аналогично лазер – одно из самых универсальных оптических устройств в истории – это еще один побочный продукт квантовой теории. Для создания газового лазера берут трубку с неким газом или газовой смесью. Затем накачивают ее энергией (прикладывая электрический ток). Внезапный приток энергии заставляет триллионы электронов в газе перейти на более высокий энергетический уровень. Однако этот массив возбужденных атомов нестабилен. Когда один из электронов возвращается на более низкий уровень, он испускает фотон света, который взаимодействует с соседним накачанным энергией атомом. Это заставляет второй атом тоже вернуться на более низкий уровень и испустить фотон. Квантовая механика предсказывает, что второй фотон будет колебаться в унисон с первым. В обоих концах трубки можно поставить зеркала, усиливающие поток фотонов. В конечном итоге этот процесс порождает гигантскую лавину фотонов, которые многократно проходят через газ между зеркалами, создавая лазерный луч.
Сегодня лазеры можно встретить где угодно: в кассовых аппаратах супермаркетов, в больницах, в компьютерах, на рок-концертах, в искусственных спутниках и т. п. Лазерный луч способен переносить не только громадные объемы информации, но и колоссальное количество энергии, достаточное, чтобы прожечь насквозь большинство материалов. (Судя по всему, единственными факторами, ограничивающими энергию лазерного луча, являются стабильность активного вещества лазера и энергия, питающая лазер. Так что, имея подходящее активное вещество и достаточно мощный источник энергии, можно, в принципе, получить луч, похожий на те, что показывают в научно-фантастических фильмах.)
Что такое жизнь?
Эрвин Шрёдингер был одним из основоположников квантовой механики. Однако его интересовала и другая научная проблема, не одно столетие занимавшая ученых и ставившая их в тупик. Что такое жизнь? Может ли квантовая механика разгадать эту давнюю загадку? Он считал, что одним из побочных результатов квантовой революции должен стать ключ к пониманию происхождения жизни.
На протяжении всей истории науки естествоиспытатели и философы верили в существование некой жизненной силы, которая делала возможным появление живых существ. Когда в тело вселялось нечто таинственное, называемое душой, оно внезапно оживало и вело себя как человек. Многие верили в так называемый дуализм, в котором материальное тело сосуществовало с бесплотной душой.
Шрёдингер, однако, считал, что код жизни заключен в некоей основополагающей молекуле, которая подчиняется законам квантовой механики. Эйнштейн, например, изгнал из физики эфир. Подобно ему, Шрёдингер хотел изгнать из биологии жизненную силу. В 1944 г. он написал новаторскую книгу «Что такое жизнь?», которая произвела глубокое впечатление на новое поколение послевоенных ученых. Шрёдингер предложил использовать квантовую механику для получения ответа на самый древний вопрос о жизни. В книге он отмечал, что генетический код каким-то образом передается от одного поколения живых организмов следующему. Он был убежден, что код этот находится не в душе, а в каком-то наборе молекул в наших клетках. Опираясь на квантовую механику, Шрёдингер рассуждал о том, какой могла бы быть эта загадочная основополагающая молекула. Однако в 1940-е гг. наши знания в сфере молекулярной биологии были недостаточны, чтобы предметно ответить на этот вопрос.
Но двое ученых, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, прочитав эту книгу, увлеклись поиском основополагающей молекулы. Они понимали, что из-за ничтожных размеров молекул увидеть одну из них или манипулировать ею невозможно. Дело в том, что длина волны видимого света намного превышает размер молекулы. Но у них имелся еще один квантовый инструмент – рентгеновская кристаллография. Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами молекул, поэтому при попадании рентгеновских лучей на кристалл органического вещества они должны рассеиваться. Но картина рассеяния содержит информацию об атомной структуре кристалла. Разные молекулы дают разные рентгеновские узоры, или рентгенограммы. Квалифицированный специалист по квантовой физике, взглянув на рентгенограмму, может сделать вывод о структуре молекулы. Так что, хотя саму молекулу увидеть невозможно, расшифровать ее структуру ученым вполне по силам.
Квантовая механика настолько мощный инструмент, что можно даже определить, под каким углом расположены атомы, образующие молекулы. Затем, подобно ребенку, играющему с конструктором вроде «тинкертой» или «лего», можно составить, атом за атомом, нужные цепочки, правильно соединить их и воспроизвести реальную структуру сложной молекулы. Уотсон и Крик поняли, что одним из главных компонентов ядра клетки является молекула ДНК, так что именно эта молекула стала их главной целью. Проанализировав рентгенограммы, сделанные Розалиндой Франклин, они пришли к выводу, что структура молекулы ДНК представляет собой двойную спираль.
В одной из важнейших работ, опубликованных в XX веке, Уотсон и Крик полностью расшифровали при помощи квантовой механики структуру молекулы ДНК. Это был шедевр. Они убедительно продемонстрировали, что фундаментальный процесс, присущий всему живому, – размножение – может быть воспроизведен на молекулярном уровне. Оказалось, что жизнь зашифрована в нитях ДНК, которые можно обнаружить в любой клетке.
Этот прорыв дал ученым шанс реализовать сокровенную мечту биологии – проект «Геном человека», результатом которого стала возможность получить полное атомное описание ДНК любого человека.
Как предсказывал в XIX веке Чарльз Дарвин, теперь ученые получили возможность построить древо жизни на Земле, где каждое живое существо и каждая окаменелость должны занять свое место на одной из ветвей. И все это при помощи квантовой механики.
Таким образом, объединение законов квантовой физики помогло не только раскрыть тайны Вселенной, но и построить единое древо жизни.
Ядерное взаимодействие
Как мы знаем, Эйнштейн не сумел завершить свою единую теорию поля отчасти потому, что в его арсенале отсутствовала громадная часть головоломки – ядерное взаимодействие. Тогда, в 1920-е и 1930-е гг., о нем почти ничего не было известно.
Но в послевоенную эпоху физики, опираясь на головокружительный успех квантовой электродинамики, обратили свое внимание на следующую насущную проблему – применение квантовой теории к ядерным взаимодействиям. Это была сложная и трудоемкая задача, поскольку начинать приходилось с самого начала; кроме того, для успешного продвижения по неизвестной территории требовались совершенно новые инструменты.
Существует два типа ядерных взаимодействий – сильное и слабое. Поскольку протон положительно заряжен, а положительные заряды отталкиваются друг от друга, ядро атома, по идее, должно было бы разлететься на кусочки. Ядерные взаимодействия – это и есть те силы, которые удерживают компоненты ядра в связанном состоянии и противостоят электростатическому отталкиванию. Без них весь наш мир распался бы, превратившись в облако элементарных частиц.
Сильного ядерного взаимодействия достаточно, чтобы ядра многих химических элементов могли оставаться стабильными вечно. Многие из них стабильны с начала времен – по сути, с момента возникновения Вселенной, особенно если число протонов и нейтронов в них сбалансировано. Однако некоторые ядра нестабильны, в частности те, в которых слишком много протонов или нейтронов. Если в ядре слишком много протонов, его может разорвать сила электрического отталкивания. Если в нем слишком много нейтронов, к распаду может привести их нестабильность. Слабого ядерного взаимодействия недостаточно, чтобы удерживать нейтрон в целости вечно, так что со временем он распадается. Так, половина любого набора свободных нейтронов распадется в течение четырнадцати минут. При распаде остается три частицы: протон, электрон и еще одна загадочная новая частица – антинейтрино, о которой мы поговорим позже.
Изучать ядерное взаимодействие чрезвычайно трудно, поскольку атомное ядро примерно в сто тысяч раз меньше самого атома. Чтобы прозондировать внутреннее строение протона, физикам понадобился новый инструмент – ускоритель частиц. Мы уже видели, как много лет назад Эрнест Резерфорд, чтобы открыть атомное ядро, использовал излучение радия, помещенного в свинцовую коробочку. Для проникновения глубже внутрь ядра физикам требовались еще более мощные источники излучения.
В 1929 г. Эрнест Лоуренс изобрел циклотрон – предтечу сегодняшних гигантских ускорителей частиц. Базовый принцип работы циклотрона прост. Магнитное поле заставляет протоны двигаться по кольцевой траектории. На каждом обороте протоны получают небольшой энергетический толчок под действием электрического поля. В конечном итоге после множества оборотов пучок протонов может набрать энергию в несколько миллионов и даже миллиардов электронвольт. (Базовые принципы работы ускорителя частиц настолько просты, что я в старших классах школы самостоятельно построил бетатрон – ускоритель электронов.)
Затем этот пучок направляют в мишень, где составляющие его протоны сталкиваются с другими протонами. Тщательно просеивая громадное количество фрагментов, получающихся при столкновении, ученые смогли идентифицировать новые, неизвестные прежде частицы. (Процесс бомбардировки мишени пучками частиц с тем, чтобы разбить протоны, – весьма неуклюжая и неточная операция. Иногда приводят такое сравнение: это все равно что выбросить пианино в окно, а затем попытаться определить все его свойства, анализируя звук падения. Но, каким бы неуклюжим ни был этот процесс, он один из немногих имеющихся у нас способов зондирования внутренней структуры протона.)
Когда физики в 1950-е гг. впервые сумели столкнуть протоны в ускорителе, они, к собственному удивлению, обнаружили целый зоопарк неожиданных частиц.
У них буквально разбежались глаза. Считалось, что чем глубже вы проникаете в ядро, тем проще – а не сложнее – становится природа. При виде такого богатства частиц квантовый физик мог подумать, что природа и правда злонамеренна.
Обескураженный бесконечным потоком новых частиц, Роберт Оппенгеймер заявил, что Нобелевскую премию по физике следует присудить тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы. Энрико Ферми объявил, что если бы знал, «что будет так много частиц с греческими названиями, то стал бы ботаником, а не физиком».
Исследователи буквально тонули в элементарных частицах. Из-за возникшей путаницы некоторые физики заявляли, что человеческий разум, возможно, недостаточно проницателен, чтобы разобраться в субатомном царстве. В конце концов, говорили они, невозможно научить собаку дифференциальному исчислению, не исключено, что возможностей человеческого разума просто не хватит для понимания происходящего в ядре атома.
Однако путаница начала немного проясняться с появлением работ Марри Гелл-Манна и его коллег по Калифорнийскому технологическому институту (Калтеху), которые заявили, что протон и нейтрон состоят из трех еще более мелких частиц, называемых кварками.
Эта простая модель прекрасно справилась с задачей классификации частиц по группам. Как до него Менделеев, Гелл-Манн, глядя на пробелы в своей теории, смог предсказать свойства новых сильно взаимодействующих частиц. В 1964 г. еще одна частица, предсказанная кварковой моделью и получившая название «омега-минус», была обнаружена в реальности, что подтвердило общую верность этой теории, за которую Гелл-Манн получил Нобелевскую премию.
Кварковая модель смогла объединить так много частиц, потому что была основана на симметрии. Эйнштейн, как мы помним, ввел четырехмерную симметрию, превращающую пространство во время и наоборот. Гелл-Манн ввел уравнения, содержащие три кварка; если поменять их местами внутри уравнения, само уравнение не изменится. Эта новая симметрия описывала перестановку трех кварков.
Полные противоположности II
Ричард Фейнман – еще один великий физик из Калтеха, предложивший перенормировку КЭД, – и Марри Гелл-Манн, предложивший идею кварка, были полными противоположностями по темпераменту и характеру.
В популярных средствах массовой информации физики неизменно изображаются либо как безумные ученые (вроде Дока Брауна в фильме «Назад в будущее»), либо как безнадежно неадекватные «ботаники» (как в сериале «Теория Большого взрыва»). Однако в реальности среди физиков встречаются представители всех психотипов.
Фейнман был колоритным возмутителем спокойствия, вечным шутом и клоуном, он был полон забавных историй о своих эксцентричных выходках и рассказывал их с грубоватым простонародным выговором. (Во время Второй мировой войны он однажды вскрыл сейф с секретами атомной бомбы в Лос-Аламосской национальной лаборатории и оставил там шифрованную записку. Когда на следующий день записка была обнаружена, тревога и паника в суперсекретной лаборатории поднялась нешуточная.) Для Фейнмана не было ничего слишком нетрадиционного или неприличного – однажды он из любопытства даже заперся в гипербарической камере, чтобы проверить, можно ли там получить внетелесные переживания.
Гелл-Манн, напротив, всегда был джентльменом с безупречной речью и прекрасными манерами. Он увлекался наблюдением за птицами, коллекционированием древностей, лингвистикой и археологией, забавные истории были не его стихией. Но, несмотря на различия в характерах, Фейнман и Гелл-Манн в равной мере обладали энергией и упорством, которые помогали им проникать в тайны квантовой теории.
Слабое взаимодействие и призрачные частицы
Тем временем исследования слабого ядерного взаимодействия, которое примерно в миллион раз слабее сильного взаимодействия, тоже заметно продвигались вперед.
Слабого ядерного взаимодействия, например, недостаточно, чтобы удерживать в связанном состоянии компоненты атомных ядер многих типов, поэтому они распадаются на более мелкие фрагменты и элементарные частицы. Радиоактивный распад, как мы уже видели, – причина того, что внутри Земля такая горячая. Именно в слабом ядерном взаимодействии кроется источник энергии извергающихся вулканов и ужасных землетрясений. Чтобы объяснить это взаимодействие, ввели новую частицу. Нейтрон, например, нестабилен и со временем распадается на протон и электрон. Такой процесс называется бета-распадом. Но, чтобы расчеты стали возможными, физикам пришлось ввести в уравнение третий член – частицу, получившую название «нейтрино».
Нейтрино иногда называют призрачной частицей, потому что оно способно пронизывать целые планеты и звезды без какого-либо взаимодействия или поглощения. В это самое мгновение через ваше тело проходит поток нейтрино из глубокого космоса, причем часть его до этого прошла через нашу планету. Мало того, эти частицы могли бы свободно пролететь сквозь толщу сплошного свинца, протянувшуюся от Земли до ближайшей звезды.
Паули, предсказавший существование нейтрино в 1930 г., однажды пожаловался: «Я совершил непростительный грех. Я ввел частицу, которую невозможно наблюдать». Но, какой бы неуловимой ни была эта частица, в конце концов ее экспериментально зарегистрировали в 1956 г. при анализе мощного излучения, испускаемого ядерным реактором. (Хотя нейтрино почти не взаимодействует с обычным веществом, физики сумели компенсировать этот недостаток, воспользовавшись тем фактом, что ядерный реактор испускает огромное число нейтрино.)
Чтобы разобраться в слабом ядерном взаимодействии, физики снова ввели новую симметрию. Поскольку электрон и нейтрино – пара слабо взаимодействующих частиц, было высказано предположение, что их можно объединить и таким образом получить новую симметрию, которую, в свою очередь, можно объединить со старой симметрией теории Максвелла. Получившаяся в результате теория, которую назвали электрослабой, объединила электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие.
Электрослабая теория Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама принесла им в 1979 г. Нобелевскую премию.
Так что свет, вместо того чтобы, как надеялся Эйнштейн, объединиться с гравитацией, на деле предпочел объединиться со слабым ядерным взаимодействием.
Если сильное ядерное взаимодействие основано на симметрии Гелл-Манна, которая связывает три кварка воедино так, что они образуют протоны и нейтроны, то слабое ядерное взаимодействие опирается на менее масштабную симметрию – перестановку электрона и нейтрино, которая объединяется с электромагнетизмом.
Но какие бы возможности ни открывали кварковая модель и электрослабая теория при описании зоопарка элементарных частиц, в этом описании по-прежнему оставалась зияющая дыра. Вопрос был в том, что удерживает все эти частицы вместе.
Теория Янга – Миллса
Поскольку поле Максвелла в свое время так успешно предсказывало свойства, обнаруживаемые в электромагнетизме, физики начали изучать новую версию уравнения Максвелла. Ее предложили Чжэньнин Янг и Роберт Миллс в 1954 г. Вместо всего лишь одного поля, предложенного Максвеллом в 1861 г., эта теория вводила целое семейство таких полей. Та же симметрия, которую Гелл-Манн в своей теории использовал для перестановки кварков, в этой теории использовалась для взаимной замены полей Янга – Миллса.
Идея была проста. Раз атом удерживается в связанном состоянии электрическим полем, которое описывается уравнениями Максвелла, то кварки, возможно, удерживаются тем, что вытекает из обобщения уравнений Максвелла, то есть полями Янга – Миллса. Та же симметрия, которая описывает кварки, теперь применяется к полю Янга – Миллса.
Однако на протяжении нескольких десятилетий эта простая идея оставалась невостребованной, поскольку при расчете свойств частиц Янга – Миллса результат опять получался бесконечным, в точности как в случае КЭД. К несчастью, тех фокусов, что предложил в свое время Фейнман, для перенормировки теории Янга – Миллса оказалось недостаточно. Многие годы физики отчаянно, но безуспешно пытались найти конечную теорию ядерного взаимодействия.
Наконец у одного изобретательного голландского аспиранта, Герарда 'тХоофта, хватило смелости и упорства, чтобы решить проблему в лоб – продраться сквозь частокол бесконечных членов и перенормировать поле Янга – Миллса. К тому моменту компьютеры уже были достаточно мощными, чтобы анализировать эти бесконечности. Когда его компьютерная программа выдала серию нулей, представлявших квантовые поправки, он окончательно убедился, что прав.
Новость об этом прорыве сразу же привлекла внимание физиков. Шелдон Глэшоу даже воскликнул: «Или этот парень полный идиот, или он величайший гений из всех, кто пришел в физику за последние годы!»
Именно лобовое решение задачи принесло в 1999 г. 'тХоофту и его научному руководителю Мартинусу Велтману Нобелевскую премию. Внезапно появилось новое поле, при помощи которого можно было связать известные частицы в ядерном взаимодействии и объяснить слабое ядерное взаимодействие. В применении к кваркам поле Янга – Миллса получило название «глюон», потому что действовало подобно клею, скрепляющему кварки друг с другом. (Компьютерное моделирование показывает, что поле Янга – Миллса конденсируется в похожую на тянучку субстанцию, которая затем, подобно клею (англ. glue), скрепляет кварки.) Чтобы это происходило, нужны были кварки трех типов, или цветов, подчиняющиеся трехкварковой симметрии Гелл-Манна. Так что широкую популярность начала набирать новая теория сильного ядерного взаимодействия. Ее окрестили квантовой хромодинамикой (КХД), и сегодня именно она представляет собой самое известное описание сильного ядерного взаимодействия.
Бозон Хиггса – частица Бога
Таким образом, постепенно из хаоса складывалась новая теория, получившая название Стандартной модели элементарных частиц. Путаница, окружавшая зоопарк элементарных частиц, потихоньку уходила, сменяясь некоторым порядком. Поле Янга – Миллса (называемое глюоном) удерживало кварки в нейтроне и протоне, а другое поле Янга – Миллса (называемое W- и Z-частицами) описывало взаимодействие между электронами и нейтрино.
Однако окончательному принятию Стандартной модели мешало отсутствие последней детали субатомной головоломки, которую называли бозоном Хиггса, а иногда даже частицей Бога. Одной симметрии было недостаточно. Требовался способ нарушения этой симметрии, поскольку Вселенная, которую мы видим вокруг, не является идеально симметричной.
Когда мы смотрим на нынешнюю Вселенную, то кажется, что все четыре фундаментальных взаимодействия не зависят друг от друга. Гравитация, свет и ядерные взаимодействия на первый взгляд не имеют между собой ничего общего. Но, если отходить все дальше и дальше назад во времени, эти взаимодействия начинают сливаться, складываясь, возможно, на момент возникновения Вселенной всего в один тип взаимодействия.
Начала вырисовываться новая картина, в которой физика элементарных частиц использовалась для объяснения величайшей загадки космологии – рождения Вселенной. Неожиданно две очень разных области науки – квантовая механика и общая теория относительности – стали превращаться в одну.
В этой новой картине в момент Большого взрыва все четыре взаимодействия были слиты в единое супервзаимодействие, которое подчинялось главной симметрии, способной превращать все частицы Вселенной друг в друга. Супервзаимодействие подчинялось так называемому уравнению Бога. Именно его симметрия ускользала от Эйнштейна и остальных физиков.
После Большого взрыва Вселенная по мере расширения остывала, и супервзаимодействие и симметрия начали распадаться, оставляя после себя фрагментарные симметрии слабого и сильного ядерных взаимодействий сегодняшней Стандартной модели. Этот процесс называется нарушением симметрии. Таким образом, нам необходим механизм, позволяющий разбить первоначальную симметрию в точности так, чтобы получилась Стандартная модель. Именно в этот момент на сцене появляется бозон Хиггса.
Чтобы представить себе эту картину, вообразите плотину. Вода в водохранилище также обладает симметрией. Если вы провернете всю воду по кругу, общая масса воды, в сущности, не изменится и будет выглядеть примерно так же, как прежде. Мы все из собственного опыта знаем, что вода всегда течет вниз. Дело в том, что, согласно Ньютону, вода всегда стремится прийти в состояние с наименьшей возможной энергией. Если бы плотина разрушилась, вода ринулась бы вниз, чтобы занять состояние с более низкой энергией. Итак, вода за плотиной находится в состоянии с более высокой энергией. Физики называют состояние воды за плотиной ложным вакуумом, потому что оно нестабильно, пока вода не придет в состояние истинного вакуума, то есть в состояние с минимальной энергией там, на дне долины. После прорыва плотины первоначальная симметрия исчезает, но вода приходит в свое истинное состояние покоя.
Этот же эффект можно обнаружить, если проанализировать закипающую воду. Непосредственно перед закипанием вода находится в состоянии ложного вакуума. Она нестабильна, но симметрична, то есть вы можете провернуть весь массив воды, и ее вид не изменится. Но постепенно образуются крохотные пузырьки, причем каждый из них существует в состоянии с более низкой энергией, чем окружающая его вода. Пузырьки начинают расширяться, пока не сольются в достаточной мере и вода не закипит.
В соответствии с этим сценарием Вселенная первоначально находилась в идеально симметричном состоянии. Все элементарные частицы тогда были частью этой самой симметрии, и все они имели нулевую массу. Благодаря нулевой массе их можно было как угодно менять местами, и уравнение при этом оставалось бы прежним. Однако по какой-то неизвестной причине такая Вселенная была нестабильна: она находилась в состоянии ложного вакуума. Поле, необходимое для перехода к истинному (но разрушенному) вакууму, – это поле Хиггса. Подобно электрическому полю Фарадея, пронизывающему все пространство, поле Хиггса также заполняло все пространство-время.
Но по какой-то причине симметрия поля Хиггса начала разрушаться.
Внутри поля Хиггса начали образовываться крохотные пузырьки. Вне этих пузырьков все частицы оставались безмассовыми и симметричными. Внутри пузырька некоторые частицы обладали массой. В процессе развития Большого взрыва пузырек стремительно расширялся, частицы в нем начали приобретать разные массы и первоначальная симметрия нарушилась. Со временем оказалось, что вся Вселенная существует в состоянии нового вакуума внутри одного гигантского пузыря.
Таким образом, к 1970-м гг. тяжкий труд десятков физиков начал окупаться. После десятилетий блужданий в дебрях они наконец увидели, как встают на свои места детали пазла. Они поняли, что, собрав воедино три теории (представляющие сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия), можно создать систему уравнений, которые по-настоящему будут соответствовать результатам, наблюдаемым в лаборатории.
Ключом должно было стать создание образцовой симметрии путем склеивания трех отдельных менее масштабных симметрий. Первая из этих симметрий описывала сильное ядерное взаимодействие и позволяла произвольным образом менять местами три кварка. Вторая симметрия описывала слабое ядерное взаимодействие и позволяла менять местами электроны и нейтрино. Третья симметрия описывала первоначальное поле Максвелла. Теория, получавшаяся в результате, выглядела неуклюже, но спорить с ее успехом было трудно.
Теория почти всего
Примечательно то, что Стандартная модель могла точно предсказывать свойства материи в прошлом вплоть до момента через долю секунды после Большого взрыва.
Рис. 9. Стандартная модель – это странный набор элементарных частиц, которые точно описывают нашу квантовую Вселенную; в ней тридцать шесть кварков и антикварков, двенадцать слабо взаимодействующих частиц и античастиц (именуемых лептонами) и большое количество полей Янга – Миллса и бозонов Хиггса – частиц, возникающих при возбуждении поля Хиггса
Вместе с тем, хотя Стандартная модель наиболее полно отражала наши представления о субатомном мире, в ней оставалось множество дыр. Во-первых, в ней не упоминалась гравитация. Это было громадной проблемой, поскольку именно гравитация является той силой, которая определяет крупномасштабное поведение Вселенной. Но всякий раз, пытаясь добавить гравитацию в Стандартную модель, физики не могли решить уравнения. Связанные с гравитацией квантовые поправки, вместо того чтобы быть маленькими, оказывались бесконечными, в точности как в случае квантовой электродинамики и частиц Янга – Миллса. Таким образом, Стандартная модель не в состоянии пролить свет на некоторые секреты Вселенной, например на то, что происходило до Большого взрыва и что находится внутри черной дыры. (Мы вернемся к этим важным вопросам позже.)
Во-вторых, Стандартная модель построена путем искусственного сшивания теорий, описывающих разные взаимодействия, так что результирующая теория представляет собой лоскутное одеяло. (Один физик привел такое сравнение: это как если скрепить утконоса, муравьеда и кита скотчем и объявить результат самым элегантным творением природы. На самом же деле подобное создание могла бы любить только родная мать.)
В-третьих, в Стандартной модели имеется множество неопределенных параметров (таких, как масса кварков и сила взаимодействий). Мало того, в ней есть около двадцати констант, которые пришлось вводить вручную, без всякого понимания того, откуда они берутся и что собой представляют.
В-четвертых, в Стандартной модели присутствует не одна, а три идентичные копии, или поколения, кварков, глюонов, электронов и нейтрино. (Так что всего там присутствует тридцать шесть кварков с тремя цветами и тремя поколениями вместе с соответствующими им античастицами и двадцатью свободными параметрами.) Физики не могли принять нечто настолько неуклюжее и неповоротливое в качестве фундаментальной теории Вселенной.
БАК
Поскольку ставка очень высока, многие страны готовы тратить миллиарды на создание следующего поколения ускорителей частиц. В настоящее время в заголовках преобладает Большой адронный коллайдер, построенный близ Женевы в Швейцарии, – самый большой научный прибор из когда-либо построенных. Он стоит более чем $12 млрд и имеет примерно двадцать семь километров в окружности.
БАК выглядит как громадный бублик, который находится по обе стороны границы между Швейцарией и Францией. Внутри трубы протоны ускоряются, пока не достигнут чрезвычайно высокой энергии. Затем они сталкиваются с другим высокоэнергетическим пучком протонов, движущихся в противоположном направлении. При столкновении высвобождаются четырнадцать триллионов электронвольт энергии и возникает сильнейший ливень элементарных частиц, в которых пытаются разобраться ученые, используя самые мощные компьютеры мира.
Задача БАКа – воспроизвести условия, существовавшие в первые моменты после Большого взрыва, и таким образом получить эти нестабильные частицы. В 2012 г. наконец-то был обнаружен бозон Хиггса – последний недостающий элемент Стандартной модели.
Это был великий день для физики высоких энергий, но ученые понимали, что впереди еще большой путь. Стандартная модель действительно описывает все взаимодействия частиц, от глубин протона до самых дальних уголков видимой Вселенной. Но ее проблема в том, что она очень громоздкая. В прошлом всякий раз, когда физики зондировали фундаментальную природу материи, на свет появлялись новые элегантные типы симметрии, и теперь с трудом верилось, что на самом фундаментальном уровне природа могла предпочесть столь неряшливую теорию.
Несмотря на бесспорные практические успехи Стандартной модели, всем очевидно, что она лишь разогревающая прелюдия к окончательной теории, которой еще предстоит появиться.
Тем временем физики, воодушевленные поразительными успехами квантовой теории в применении к элементарным частицам, начали пересматривать общую теорию относительности, которая несколько десятилетий пребывала практически в забвении. Теперь физики ставили перед собой более амбициозную цель – совместить Стандартную модель с гравитацией, нужно было только создать квантовую теорию самой гравитации. Это была бы подлинная теория всего, в которой все квантовые поправки как для Стандартной модели, так и для общей теории относительности поддавались бы вычислению.
Прежде теория перенормировки была ловким фокусом, позволявшим скомпенсировать все квантовые поправки КЭД и Стандартной модели. Ключом было представление электромагнитных и ядерных сил как частиц, называемых фотонами и частицами Янга – Миллса, а потом оставалось взмахнуть волшебной палочкой, чтобы все расходимости исчезли, скомпенсировавшись где-то в другом месте. Все неприятные бесконечности были, таким образом, заметены под ковер.
Физики наивно последовали освященной временем традиции: взяли теорию гравитации Эйнштейна и ввели новую точечную частицу гравитации, назвав ее гравитоном. Так что гладкая поверхность, которую ввел Эйнштейн и которая должна была представлять в его теории ткань пространства-времени, оказалась окруженной облаком из триллионов крохотных частиц-гравитонов.
Увы, набор фокусов, которые с таким старанием собирали физики на протяжении прошедших семидесяти лет для устранения неудобных расходимостей, в случае с гравитоном не сработал. Квантовые поправки, созданные гравитонами, были бесконечны и отказывались поглощаться где-то в другом месте. Здесь физики оказались в тупике. Полоса удачи закончилась.
После этого разочарованные физики обратились к более скромной цели. Будучи не в состоянии создать полную квантовую теорию гравитации, они попытались рассчитать, что происходит при квантовании с обычной материей, оставив гравитацию в покое. Это означало вычислить квантовые поправки, обусловленные звездами и галактиками, не затрагивая гравитации. При помощи одного лишь квантования атома ученые надеялись подняться на ступеньку выше и лучше разглядеть более масштабную цель – формулирование квантовой теории гравитации.
Такая задача была более скромной, но она открыла шлюзы для появления поразительного множества новых, интереснейших физических явлений, которые бросили вызов нашим представлениям о Вселенной. Внезапно квантовые физики столкнулись с самыми необычными явлениями Вселенной: черными дырами, кротовыми норами, темной материей и темной энергией, путешествиями во времени и даже рождением самой Вселенной.
Но открытие этих странных космических явлений стало вызовом и для теории всего, которая теперь должна была объяснять не только знакомые элементарные частицы Стандартной модели, но и все новые странные явления, раздвигавшие границы человеческого воображения.
Назад: 3 Квантовый восход
Дальше: 5 Темная Вселенная
