Семь этюдов по физике

себе словно бы имеющими скоротечную жизнь – они будто бы непрерывно созидаются и разрушаются этими движениями.

Таков мир, описываемый квантовой механикой и теорией элементарных частиц. Мы ушли очень далеко от механистического мира Ньютона и Лапласа, где мелкие холодные камешки бесконечно путешествовали по длинным точным траекториям в геометрически неизменном пространстве. Квантовая механика и эксперименты с частицами научили нас тому, что мир – непрерывное, неустанное мельтешение объектов, постоянное возникновение и исчезновение эфемерных сущностей. Совокупность колебаний, как в мире накурившегося хиппи 1960-х. Мир событий, не объектов.

В деталях теория элементарных частиц выстраивалась постепенно в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах некоторыми из величайших физиков века, в частности Ричардом Фейнманом и Мюрреем Гелл-Манном. Эта созидательная работа породила замысловатую теорию, основанную на квантовой механике и носящую не очень романтичное название «Стандартная модель элементарных частиц». Стандартная модель была полностью доработана в 1970-х годах, после длительной серии экспериментов, подтвердившей все предсказания. Окончательно она подтвердилась в 2012 году – с открытием бозона Хиггса.

Однако, несмотря на длительную серию успешных экспериментов, физики никогда не принимали Стандартную модель совсем уж всерьез. Эта теория выглядит, по крайней мере на первый взгляд, слепленной из разрозненных частей. Она составлена из различных кусочков и уравнений, собранных вместе без какого-либо явного порядка. Определенное число полей (но почему именно эти?), взаимодействующих между собой определенными силами (но почему этими силами?), каждая из которых задается определенными константами (но почему конкретно эти значения?), и демонстрирующих определенные виды симметрии (но, опять же, почему эти?). Тут мы далеки от простоты уравнений общей теории относительности и квантовой механики.

Сам способ, которым с помощью уравнений Стандартной модели делают предсказания о мире, тоже безумно изощрен. Если эти уравнения использовать напрямую, они ведут к нелепым предсказаниям, когда всякая вычисляемая количественная характеристика оказывается бесконечно большой. Чтобы получить осмысленные результаты, необходимо задать бесконечно большими сами параметры, входящие в уравнения, – чтобы уравновесить абсурдные результаты и сделать их разумными. Этот замысловатый прием носит техническое название «ренормализация». На практике он работает, но оставляет горький привкус во рту любого, кто ищет простоты в природе. В последние годы жизни величайший ученый XX века после Эйнштейна, Поль Дирак, один из создателей квантовой механики и автор первых и главных уравнений Стандартной модели, неоднократно выражал свое недовольство таким положением вещей, заключая, что проблема еще не решена.

Вдобавок в последнее время выявилось неожиданное ограничение Стандартной модели. Вокруг каждой галактики астрономы наблюдают большое облако вещества, которое обнаруживает свое существование гравитационным притяжением, действующим на звезды, и тем, как оно преломляет свет. Но это огромное облако, гравитационное влияние которого мы наблюдаем, нельзя увидеть непосредственно, и мы не знаем, из чего оно состоит. Были выдвинуты многочисленные гипотезы, ни одна из которых, по-видимому, не работает. Очевидно, что там что-то есть, но мы не знаем, что именно. Сегодня это называют «темной материей». Имеются доказательства, что это нечто, не описываемое Стандартной моделью, иначе мы бы его увидели. Нечто отличное от атомов, нейтрино или фотонов…

Неудивительно, что есть многое на свете, друг читатель, что и не снилось нашим мудрецам – или нашим физикам. До недавнего времени мы даже не подозревали о существовании радиоволн и нейтрино, пронизывающих Вселенную. Стандартная модель – по-прежнему лучшее, что у нас есть для мира объектов. Ее предсказания все подтвердились, и, не считая темной материи – и гравитации, рассматриваемой в общей теории относительности как искривление пространства-времени, – Стандартная модель хорошо описывает каждый аспект воспринимаемого мира.

Альтернативные теории предлагались, но только лишь для того, чтобы оказаться экспериментально опровергнутыми. Например, неплохая теория, сформулированная в 1970-х годах и названная техническим именем SU(5), заменила беспорядочные уравнения Стандартной модели структурой поэлегантнее и гораздо более простой. Теория предсказывала, что протон может распадаться, с некоторой вероятностью, превращаясь в электроны и кварки. Чтобы пронаблюдать, как протоны распадаются, соорудили большие машины. Физики посвящали свои жизни попытке наблюдать распад протона. (Зараз вы смотрите не на один протон, поскольку его распад занимает слишком много времени. Вы берете тонны воды и окружаете ее чувствительными детекторами, чтобы зарегистрировать эффекты от распада.) Но, как это ни прискорбно, ни один протон так и не увидели распадающимся. Красивая теория SU(5), несмотря на все свое изящество, не подтвердилась.

Возможно, сейчас та же история повторяется с группой теорий, известных как «суперсимметричные», которые предсказывают существование нового класса частиц. Всю свою карьеру я слушал коллег, уверенно ожидающих неизбежного появления этих частиц. Минули дни, месяцы, годы и десятки лет – однако суперсимметричные частицы до сих пор себя не проявили. Физика – это не только история успехов.

Итак, пока мы вынуждены довольствоваться Стандартной моделью. Может, она не очень-то изящна, однако, описывая мир вокруг нас, работает прекрасно. И кто знает – возможно, при более тщательном изучении окажется, что это не модели не хватает элегантности. Что, если это мы еще не научились смотреть на нее под правильным углом, таким, под которым обнаружится ее скрытая простота?

Итак, на данный момент мы знаем о материи следующее: это горсточка типов элементарных частиц, которые непрерывно колеблются между существованием и несуществованием, мельтешат в пространстве, даже когда кажется, что оно пусто, и объединяются вместе в бесконечность, как буквы космического алфавита, рассказывая грандиозную историю галактик, неисчислимых звезд, солнечного света, гор, лесов и нив, улыбающихся молодых лиц на вечеринках и ночного неба, усыпанного звездами.