Неуемное желание физиков-теоретиков достичь теоретической унификации, то есть объединить законы природы и свести их в единую стройную математическую теорию всего, часто кажется не более чем навязчивым стремлением к простоте и компактности, попыткой «упаковать» всю сложность природных явлений, используя минимальный набор основных принципов. На самом деле все не так просто. Чем больше мы узнавали о природных процессах, чем больше связей мы обнаруживали между на первый взгляд не связанными силами и частицами, тем меньше правил и принципов нам требовалось для объяснения все более широкого круга явлений. Унификация – это не какая-то цель, которую мы сознательно перед собой поставили; она сформировалась независимо от нас в результате все более глубокого понимания физического мира. Однако успех в этом деле, безусловно, связан с определенной эстетической привлекательностью, которая заставляет нас двигаться дальше в этом направлении. И тут мы добились очень многого.

С математической точки зрения стремление унифицировать законы физики было часто связано с поиском абстрактной симметрии, неких моделей, за которыми скрываются фундаментальные истины, связанные с природными процессами. В главе 2 вы уже видели доказательства принципа центральной симметрии, который связан с законами сохранения энергии и импульса. Боюсь, однако, что для истинного понимания значения и роли, которую сыграли за последний век различные виды симметрии в теоретической физике, нам не хватит объема этой небольшой книги.

Погоня за унифицированной теорией иногда трактуется как попытка собрать все силы природы под одним зонтиком и предположить, что существует всего одна «суперсила» и что различные виды взаимодействия в природе (электромагнетизм, гравитация, а также две силы ближнего действия внутри атомного ядра) – это различные аспекты действия этой единой силы. Пока что физикам неплохо удается развивать этот проект унификации. Я уже писал о том, как Ньютон осознал, что сила, заставляющая яблоко упасть с дерева, – та же самая сила притяжения, которая управляет движением небесных тел. В его время, в отличие от теперешнего, это было совсем не очевидно. До Ньютона считалось, что предметы падают на землю потому, что все в мире имеет «тенденцию» перемещаться на свое «естественное» место – к центру мира и что движение Солнца, Луны, планет и звезд подчиняется совершенно различным законам. Ньютоновский закон универсальной гравитации сводит все эти явления воедино, утверждая, что все массы притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной квадрату расстояния между ними, независимо от того, идет ли речь о яблоке или о Луне; они притягиваются к Земле с силой, определяемой одной и той же формулой.

Следующий значимый шаг по пути унификации был сделан почти через 200 лет после Ньютона, когда Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электричество и магнетизм являются, по сути, двумя сторонами одной и той же электромагнитной силы. Например, в основе электростатического притяжения между кусочком бумаги и надувным шариком, который вы потерли о свою одежду, лежит та же электромагнитная сила, которая притягивает скрепку к магниту. Почти все явления, которые мы наблюдаем в природе, в конечном счете обязаны своим появлением одной из двух сил – силе притяжения или электромагнитной. Поэтому было совершенно естественно, чтобы мы пошли дальше и для обеих сил создали единую теорию.

Мы уже видели, что гравитационное поле – не более чем форма самого пространства-времени, причем само это открытие также основано на идее унификации. Объединив пространство и время, Эйнштейн открыл одну непреложную истину: наблюдатели (сколь бы быстро они ни двигались относительно друг друга) могут одинаково оценивать интервал между двумя событиями только в условиях четырехмерного пространства-времени. Через десять лет его общая теория относительности дала миру новую, более точную картину того, как масса и энергия приводят к искривлению пространства-времени. Однако следующие 40 лет Эйнштейн безуспешно пытался разработать унифицированную теорию, которая объединила бы теорию гравитации с максвелловской теорией электромагнетизма.

Теперь мы знаем, что, кроме гравитации и электромагнетизма, существует еще две силы, сильная и слабая силы ядерного взаимодействия, которые действуют только на микроскопических расстояниях и являются не менее важными фундаментальными законами природы. Именно объединение электромагнитной силы с одной из этих ядерных сил будет следующим шагом в развитии физики в грядущем веке.

Однако этот значительный шаг вперед в нашем понимании природы фундаментальных сил стал возможным только в условиях эволюции квантовой механики от теории, описывающей микрокосм в терминах частиц и волн, к теории, основанной на понятии поля. В главе 3 я кратко затронул это понятие в контексте притяжения и электромагнетизма. Теперь же мы обратимся к подробному анализу понятия квантового поля.

Квантовая теория поля

Наверное, у вас создалось впечатление, что, когда около 100 лет назад была выдвинута теория квантовой механики, большинство физиков начали пытаться с ее помощью решать реальные задачи из области физики и химии и только немногие, более философски настроенные, продолжали спорить о том, в чем же ее смысл. Во многих отношениях так оно и было. Однако верно и то, что в течение первой половины XX века квантовая механика продолжала усложняться. К концу 20-х годов основной математический аппарат (уравнения и правила) был уже готов, но Полю Дираку вскоре удалось объединить квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна. А еще он свел воедино квантовую механику и теорию электромагнитного поля Максвелла, впервые получив в результате квантовую теорию поля. Последняя со временем превратилась в мощный и точный способ описания электромагнитного взаимодействия материи со светом на квантовом уровне.

Квантовая теория поля Дирака объясняет, каким образом электроны испускают и поглощают фотоны и каким образом два электрона отталкиваются друг от друга не с помощью какой-то невидимой силы, а посредством обмена фотонами. К 1930-м годам различие между физикой частиц и физикой поля на квантовом уровне было сведено на нет. Таким образом, как фотоны, подобно частицам, являются проявлением электромагнитного поля, сгустками чистой энергии в квантовом масштабе, так и локализованные частицы материи, такие как электроны и кварки, являются просто проявлением связанного с ними квантового поля. Однако, в отличие от случая с фотонами и электромагнитными полями, для материальных частиц это не так уж очевидно. Причина в том, что фотоны могут объединяться в неограниченных количествах, тогда как материальные частицы, вроде электронов и кварков, менее склонны к образованию связей. Это обусловлено законом квантовой механики под названием «принцип запрета Паули», согласно которому никакие две материальные частицы не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. А это, в свою очередь, означает, что наблюдать действие квантовых полей не так уж просто.

К концу 1940-х годов наконец-то были решены математические проблемы, связанные с описанием квантовых полей и получила свое завершение квантовая электродинамика (КЭД). До сего дня эта теория считается самой точной из всех научных теорий. Кроме того, на фундаментальном уровне она может объяснить почти все вокруг нас, поскольку на ней основана вся химия и природа материи – начиная с того, как работают микрочипы в моем ноутбуке, и кончая нейронами, испускающими разряды в нашем мозге, которые отправляют пальцам сигнал и заставляют их стучать по клавиатуре. Все это потому, что КЭД обусловливает любые взаимодействия в атоме.

И все же, несмотря на свое всевластие, КЭД описывает только одну из природных сил – электромагнетизм.

В конце 50-х – начале 60-х годов для объединения КЭД и полевой теории слабого ядерного взаимодействия физики пользовались прекрасным, но сложным математическим аппаратом. Они доказали, что слабое взаимодействие на фундаментальном уровне также генерируется посредством обмена частицами, что эквивалентно той роли, которую в электромагнитной силе играет обмен фотонами. Сегодня у нас есть унифицированная теория, описывающая единое «слабое» электрическое взаимодействие, которое через процесс под названием «нарушение симметрии» распадается на два различных физических процесса: электромагнетизм (проявляющийся через обмен фотонами) и слабое взаимодействие, возникающее в связи с обменом бозонов W и Z. Последние были позже, в 1983 году, обнаружены в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) и с тех пор активно изучаются. Распад на две силы (нарушение симметрии) связан с действием еще одного поля под названием «поле Хиггса», которое 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