Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

обеспечивает массой частицы W и Z, тогда как фотоны остаются лишенными массы. Эта унификация означает, что на фундаментальном уровне четыре силы природы сводятся к трем: слабой электрической силе, сильному ядерному взаимодействию и силе притяжения (которая согласно общей теории относительности вообще не является силой). Не знаю, насколько все вышесказанное поможет вам понять данную проблему.

В то же время была разработана другая квантовая теория поля, которая описывала сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов. Своеобразие сильного взаимодействия заключается в том, что оно связано со свойством под названием «изменение цвета», которое стоит здесь кратко пояснить. Подобно тому как частицы, подверженные действию электромагнитной силы, могут иметь два разных типа электрического заряда, который мы обычно называем положительным или отрицательным[26],частицы, которые подвержены влиянию сильного взаимодействия (кварки), могут иметь три типа зарядов, которые называются цветовыми, чтобы отличить их от электрических. Замечу, что цвет здесь нельзя воспринимать буквально. Три, а не два типа цветовых зарядов (по аналогии с электрическими) понадобились для того, чтобы объяснить, почему каждый протон и нейтрон должен содержать по три кварка; аналогия с цветом была выбрана, так как именно три цвета (красный, синий и зеленый) при наложении друг на друга образуют белый. Так, каждый из трех кварков в протоне или нейтроне несет свой цветовой заряд – красный, синий или зеленый, образуя в результате частицу, которая оказывается бесцветной.

Закон гласит, что кварки не могут существовать сами по себе, поскольку наделены цветом; они могут существовать только при условии объединения в бесцветные комбинации[27]. По этой причине полевая теория сильного взаимодействия, которая связывает кварки друг с другом, стала известна как квантовая хромодинамика, или КХД. Обмен частицами между кварками происходит за счет глюонов, что, как вы, наверное, согласитесь, является гораздо более удачным наименованием, чем названия носителей слабого взаимодействия, бозонов W и Z.

Теперь давайте подытожим. Из четырех известных сил природы три объясняются квантовыми теориями поля. Электромагнитная сила и слабое ядерное взаимодействие связаны друг с другом через электрослабую теорию, а сильное взаимодействие объясняется квантовой хромодинамикой. Теорию, которая объединит все три силы, еще предстоит разработать. Она известна как Теория великого объединения. Однако пока ее еще нет, мы должны обходиться совсем стабильным союзом электрослабой теории и КХД, который получил название «Стандартная модель физики элементарных частиц».

Даже самые активные приверженцы этой теории будут вынуждены согласиться, что Стандартная модель, скорее всего, не является последним словом в данной области. Эта идея все еще жива отчасти потому, что нам нечем ее заменить, а с другой стороны, потому, что прогнозы, сделанные с ее помощью, пока подтверждаются экспериментами, например открытием в 2012 году бозона Хиггса (но об этом – потом). И все же, несмотря на то что эта модель является самой удачной интерпретацией трех из четырех сил природы, физики, лелея надежду обнаружить более глубокое и точное описание реальности, ни о чем не мечтают так, как о каком-нибудь новом открытии, которое можно было бы противопоставить Стандартной модели. Однако, пока прогнозы Стандартной модели находят экспериментальное подтверждение, она продолжает существовать.

Конечно, во всем этом обсуждении квантовых теорий поля не хватает одной очень важной составляющей – гравитации.

Поиск квантовой гравитации

Мы выяснили, что описание нашего мира в терминах размера, времени и энергии, соответствующее ньютоновской физике, является лишь приближенным и что под ним скрываются более фундаментальные физические теории, которые работают в условиях экстремальных масштабов. На одном конце шкалы располагается квантовая теория поля, которая привела к созданию Стандартной модели элементарных частиц и объясняет три из четырех известных сил природы. На другом конце шкалы – общая теория относительности, которая дает Стандартную модель космологии, описывающей гравитацию. Эта модель для огромных масштабов имеет множество наименований – принцип соответствия, модель Лямбда-CDM или космологическая теория Большого взрыва. Я более подробно расскажу о ней в следующей главе.

Физикам часто задают вопрос: почему нам кажется столь важным и вообще возможно ли в принципе потакать этому стремлению к унификации, пытаться свести воедино эти две модели, описывающие явления совершенно различных масштабов: квантовый мир и мир космоса? Конечно, каждая из них прекрасно работает в своей области – разве этого не достаточно? Но снова подчеркну: цель физики не просто в том, чтобы объяснить, что мы видим, или найти нашим идеям полезное применение; смысл физики в том, чтобы наиболее глубоко и полно понять реальность.

Итак, в данный момент наше положение таково: мы застряли между двумя успешными теориями, квантовой теорией поля и общей теорией относительности, которые не очень склонны сочетаться друг с другом. Вообще-то, непохоже, чтобы у них было много общего; и математические аппараты у них несовместимы друг с другом. Однако не может быть, чтобы у этой истории не было продолжения. Мы ведь знаем, что пространство-время реагирует на материю, которой оно заполнено. А еще мы знаем, что материя в субатомном масштабе ведет себя согласно законам квантовой механики, что должно непременно сказаться на поведении пространства-времени. Если ненаблюдаемый электрон находится в квантовой суперпозиции и в двух или более состояниях одновременно – например, если его квантовое состояние размыто по некоторому объему пространства или находится в суперпозиции нескольких видов энергии, – то эта размытость должна как-то отражаться и на пространстве-времени вокруг электрона. И Принстонский университет не обладает исключительными правами на решение проблемы общей теории относительности.

Итак, остается вопрос: как нам проквантовать гравитационное поле? Что надо сделать, чтобы объединить квантовую теорию поля и теорию общей относительности? И если они совершенно несовместимы, то какая из них должна «уступить», чтобы позволить нам прийти к теории квантовой гравитации?

Теория струн

В середине 1980-х годов был предложен возможный вариант теории квантовой гравитации. Он был основан на математической идее под названием «суперсимметрия», о которой я говорил в главе 2. Этот вариант стал известен как теория суперструн и завладел умами многих физиков-математиков моего поколения. Идея супесимметрии предполагает наличие связи между двумя видами элементарных частиц согласно Стандартной модели – между материальными частицами, или фермионами (кварки, электроны и родственные им частицы), и частицами с собственным импульсом, или бозонами (фотоны, глюоны, W–