Вселенная — не то, чем она была раньше, и не то, чем она кажется.

Зачем все это? Люди, размышляя об огромном мире вокруг себя, о разнообразном и часто удивительном жизненном опыте и перспективе смерти, вынуждены задавать себе этот вопрос. Мы ищем ответы во многих источниках: в древних текстах и сохранившихся традициях, в любви и мудрости других людей, в музыкальных творениях и произведениях искусства. Каждый из этих источников может предложить что-то свое.

Однако логичным первым шагом при поиске ответов было бы понять, что подразумевается под «этим». Наш мир может рассказать о себе множество важных и удивительных вещей. Именно им и посвящена эта книга. Я хочу обогатить ваше понимание «того», в чем мы с вами находимся.

Начнем с того, что мы строим наши картины мира из странного исходного материала: мы используем сигналообрабатывающие инструменты, «спроектированные» эволюцией для отбора из наполненной информацией Вселенной очень немногих входящих потоков данных.

Потоки данных? Они более знакомы нам как зрение, слух, обоняние и т. д. В современном понимании зрение представляет собой отбор проб электромагнитного излучения, проходящего через небольшое отверстие в наших глазах, при этом из широчайшего спектра отбирается весьма ограниченная радуга цветов. Слух отслеживает изменение давления воздуха на наши барабанные перепонки, а обоняние производит тонкий химический анализ воздуха, попадающего в наши носовые пазухи. Другие сенсорные системы предоставляют приблизительную информацию об ускорении, с которым движется все наше тело (кинестетическое ощущение), о температуре и давлении на его поверхности (осязание), дают некоторое представление о химическом составе вещества на нашем языке (вкус) и еще немного всякой всячины.

Эти сенсорные системы позволяли нашим предкам, как позволяют и нам, построить богатую динамическую картину мира, помогающую адекватно реагировать на происходящее. Наиболее важными ее компонентами являются более или менее стабильные объекты (например, другие люди, животные, растения, камни, солнце, звезды, облака), одни из них движутся, другие представляют опасность, третьи годятся в пищу, а четвертые, избранные и особенно интересные, являются желанными партнерами.

Устройства для усиления наших органов чувств открывают перед нами более богатый мир. Когда Антони ван Левенгук в 1670-х годах рассмотрел живой мир через первые качественные микроскопы, он увидел совершенно неожиданный скрытый порядок бытия. За короткое время он обнаружил бактерии, сперматозоиды и полосатую структуру мышечных волокон. Сегодня мы относим многие болезни (и полезные эффекты) на счет бактерий. Основа наследственности (по крайней мере половина) находится в крошечном сперматозоиде. А наша способность двигаться обеспечивается этими полосами волокон. Точно так же, когда Галилео Галилей в 1610-х годах впервые направил телескоп в небо, обнаружились новые богатства: он увидел пятна на Солнце, горы на Луне, спутники вокруг Юпитера и множество звезд Млечного Пути.

Однако самым главным усиливающим органы чувств устройством является мыслящий разум. Он позволяет нам осознать, что мир содержит гораздо больше и во многих отношениях представляет собой не то, чем кажется на первый взгляд. Многие ключевые факты о мире не фиксируются нашими чувствами. Смена сезонов, сопровождаемая неизменным годовым циклом восхода и захода солнца, ночное вращение звезд на небе, более сложные, но все же предсказуемые движения Луны и планет, а также их связь с затмениями — все эти закономерности не улавливаются глазом, ухом или носом. Однако мыслящий разум может их разгадать. А заметив эти закономерности, разум вскоре обнаруживает, что они являются более регулярными, чем эмпирические правила, которыми мы пользуемся для составления повседневных планов и предположений. Более глубокие, скрытые закономерности поддаются подсчету и геометрии — одним словом, математической науке.

Другие скрытые закономерности были выявлены благодаря технологиям и, что примечательно, искусству. Красивым и исторически важным примером является устройство струнных музыкальных инструментов. Около 600 года до н. э. Пифагор заметил, что тона лиры звучат наиболее гармонично, когда длины струн соотносятся между собой как простые целые числа. Вдохновившись этой догадкой, Пифагор и его последователи сделали замечательное интуитивное открытие. Они предположили возможность построения другой картины мира, менее зависимой от наших чувств, но лучше соответствующей скрытой гармонии природы, а значит — и реальности. В этом и заключается смысл научного кредо пифагорейского союза: «Все вещи суть числа».

Научная революция XVII века начала подтверждать догадки древних греков. Она привела к открытию Исааком Ньютоном математических законов движения и тяготения. Законы Ньютона позволили точно рассчитывать движения планет и комет, а при наличии мощных инструментов — описывать и движение материи в целом.

Тем не менее ньютоновские законы действуют в картине мира, которая очень отличается от повседневных интуитивных представлений. Поскольку ньютоновское пространство бесконечно и однородно, Земля и ее поверхность не являются каким-то особенным местом. Направления «вверх», «вниз» и «в сторону» принципиально похожи. Все остальное тоже не получает каких-либо преимуществ перед равномерным движением. Ни одно из этих понятий не вписывается достаточно хорошо в повседневный опыт. Это беспокоило современников Ньютона и даже его самого. (Ньютона тревожила относительность движения, несмотря на то что она является логическим следствием его уравнений. Чтобы избавиться от нее, он постулировал существование «абсолютного» пространства, относительно которого определены истинный покой и движение.)

Еще один прорыв был совершен в XIX веке, когда Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения, описывающие электричество и магнетизм. Эти новые уравнения охватывали более широкий круг явлений, включая ранее известные и вновь открытые виды света (например, то, что мы теперь называем ультрафиолетовым излучением и радиоволнами), в рамках математически точной картины мира. Такой прорыв требовал пересмотра и значительного расширения нашего восприятия реальности. Там, где Ньютон описал движение частиц под действием силы тяжести, уравнения Максвелла заполнили пространство игрой «полей», или «эфиров». По словам Максвелла, то, что наши органы чувств воспринимают как пустое пространство, на самом деле является домом для невидимых электрических и магнитных полей, которые оказывают воздействие на видимую нам материю. Несмотря на то что эти поля начинаются как математический прием, они «выскакивают» из уравнений, чтобы жить собственной жизнью. Изменение электрических полей производит магнитные поля, изменение магнитных полей создает электрические поля. Таким образом, эти поля могут оживлять друг друга по очереди, порождая самовоспроизводящиеся возмущения, которые движутся со скоростью света. Благодаря уравнениям Максвелла мы понимаем, что эти возмущения и есть свет.

Открытия Ньютона, Максвелла и многих других блестящих ученых значительно расширили человеческое воображение. Однако только в XX и XXI веках развитие физики позволило поистине приблизить осуществление мечты Пифагора. По мере того как наше описание фундаментальных процессов становится все более полным, мы начинаем воспринимать больше и видеть иначе. Глубинная структура мира довольно сильно отличается от его поверхностной структуры. Чувства, с которыми мы рождаемся, не соответствуют нашим наиболее полным и точным моделям мира. Я предлагаю вам расширить восприятие реальности.

Когда я был маленьким, мне нравилось думать, что за видимостью вещей скрываются великие силы и тайные смыслы[1]. Я был очарован магическими представлениями и хотел стать волшебником. Однако мой первый набор волшебника стал для меня полнейшим разочарованием. Я понял, что секреты волшебства основаны на хитрых уловках.

Позднее меня очаровывала религия, особенно римско-католическая вера, в атмосфере которой я рос. Мне рассказали о секретных смыслах, стоящих за видимыми вещами, о великих силах, на которые можно повлиять молитвой и ритуалами. Однако по мере изучения науки некоторые понятия и объяснения в древних священных текстах начали казаться мне явно неправильными; а по мере изучения истории и историографии (исследований в области истории) я усомнился в некоторых описанных в тех текстах событиях и фактах.

Однако наибольшим разочарованием явилось не то, что в священных текстах были ошибки, а то, что они не выдерживали сопоставления с наукой. По сравнению с тем, что я узнавал, изучая научные дисциплины, они предлагали очень мало по-настоящему удивительных и впечатляющих идей. Разве те представления могли бы соперничать с понятием бесконечного пространства, далеких звезд, сопоставимых с нашим Солнцем и даже превосходящих его? Скрытых сил и новых, невидимых форм «света»? Или огромных энергий, которые люди могли, понимая естественные процессы, научиться освобождать и контролировать? Я начал думать, что если Бог существует, то Он (или Она, или Они, или Оно) проделал намного более впечатляющую работу по раскрытию Себя в мире, чем описывается в старых книгах; и что сила веры и молитвы неуловима и ненадежна по сравнению с повседневными чудесами, которые творят медицина и технологии.

«Ах, — слышу я возражение приверженца традиционной веры, — но ведь научное исследование мира не раскрывает его смысла».

На это я отвечаю: дайте ему шанс. Наука выявляет некоторые очень удивительные факты о том, что собой представляет мир. Прежде чем пытаться постичь его смысл, необходимо понять, чем этот мир является.

Во времена Галилея преподаватели философии и богословия — эти предметы были неразделимы — вели грандиозные беседы о природе действительности, структуре вселенной и способах устройства мира, основываясь на сложных метафизических аргументах. Тем временем Галилей измерял скорость скатывания шариков с наклонных плоскостей. Как приземленно! Тем не менее философские беседы, какими бы грандиозными они ни были, отличались неопределенностью. Исследования Галилея были четкими и точными. Старая метафизика не прогрессировала, в то время как работа Галилея привела к богатым и захватывающим результатам. Галилея тоже волновали великие вопросы, однако он понимал, что для получения подлинных ответов требуются терпение и смирение перед фактами.

Этот урок справедлив и сегодня. Лучший способ решения самых важных вопросов, вероятно, заключается в диалоге с Природой. Мы должны задавать уточняющие вопросы, позволяющие Природе давать нам значимые ответы, в особенности такие, которые могли бы нас удивить.

Применение этого подхода неестественно для нас. В условиях, в которых мы эволюционировали, важные решения должны были приниматься быстро и с использованием доступной информации. Людям нужно было забить копьем свою добычу, прежде чем они сами станут добычей того, на кого охотились. Они не могли останавливаться для изучения законов движения и аэродинамики копий и вычисления траектории. И большие сюрпризы ими определенно не приветствовались. Мы хорошо приспособлены к усвоению и использованию эмпирических правил, а не к выявлению абсолютных причин и тонких различий. Еще меньше мы приспособлены к выполнению длинных цепочек вычислений, которые соединяют фундаментальные законы с наблюдаемыми следствиями. С этим намного лучше справляются компьютеры!

Чтобы получить как можно больше от нашего диалога с Природой, мы должны согласиться на использование Ее языка. Способы мышления, которые позволяли выживать и размножаться в африканской саванне 200 000 лет назад, уже нектуальны. Я предлагаю вам расширить свой способ мышления.

В этой книге мы исследуем некоторые из самых великих вопросов, которые только можно вообразить: о фундаментальной структуре физической реальности, о природе пространства, о содержимом Вселенной и о будущем человеческих исследований. Вдохновленный примером Галилея, я буду обращаться к этим вопросам по мере их возникновения в процессе естественного диалога с Природой, когда мы будем подходить к конкретной теме.

Путь к самым серьезным вопросам нам позволит проложить тема массы. Для глубокого ее понимания мы пойдем дальше Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, обратившись к множеству новейших и самых странных идей из мира физики. И мы увидим, что понимание массы позволяет нам подойти к решению фундаментальных проблем объединения сил и гравитации, которые находятся на передовой текущих исследований современной науки.

Чем объясняется центральная роль массы? Позвольте мне рассказать вам одну историю.

Когда-то давно существовало то, что называлось материей, и она была вещественной, тяжелой и неизменной. А то, что очень отличалось от нее, называлось светом. Люди воспринимали их в качестве отдельных потоков данных, осязая одно и наблюдая другое. Материя и свет служили — и все еще служат — мощными метафорами для других противопоставляемых аспектов реальности: плоти и духа, существования и становления, земного и небесного.

Когда материя появлялась из ниоткуда, это воспринималось как чудо, как тогда, когда Иисус накормил множество людей пятью хлебами.

Научной душой материи, ее неприводимой сущностью являлась масса. Масса определяла сопротивление материи движению, ее инерцию. Масса была неизменной, «сохраняемой». Она могла передаваться от одного тела другому, но никогда не могла возникнуть или исчезнуть. Для Ньютона масса определяла количество материи. В физике Ньютона масса обеспечивала связь между силой и движением, а также служила источником силы тяжести. Для Лавуазье постоянство массы, ее точное сохранение, составляло основу химии и стало толчком к многочисленным открытиям. Если вам кажется, что масса исчезла, ищите новые формы — вуаля, кислород!

Свет не имел массы. Свет перемещался от источника к приемнику с огромной скоростью без какого-либо толчка. Свет мог быть очень легко создан (испущен) или уничтожен (поглощен). Свет не создавал гравитации. И он не находил места в периодической таблице элементов, которая систематизировала строительные блоки, составляющие материю.

За много веков до появления современной науки и на протяжении первых двух с половиной веков ее развития деление реальности на материю и свет казалось самоочевидным. Материя обладала массой, а свет никакой массы не имел; масса сохранялась. Пока существовало разделение на массивное и невесомое, создать единое описание материального мира было невозможно.

В первой половине XX века теория относительности и особенно квантовая теория подорвали основы классической физики. Существующие теории, касающиеся материи и света, превратились в руины. Этот процесс творческого разрушения позволил за вторую половину XX века создать новую и более глубокую теорию материи/света, устранившую прошлое разделение. Новая теория воспринимает мир, основываясь на разнообразии заполняющих пространство эфиров, на всеобщности, которую я называю Сеткой (Grid). Новая модель мира является чрезвычайно странной, но в то же время необыкновенно успешной и точной.

Новая модель мира предоставляет нам совершенно новое понимание того, откуда берется масса обычной материи. Насколько новое? Наша масса, как мы узнаем далее, возникает из сочетания, включающего теорию относительности, квантовую теорию поля и хромодинамику — специальные законы, управляющие поведением кварков и глюонов. Вы не можете понять, откуда берется масса, без основательного использования всех этих концепций. Однако все они появились только в XX веке, и только специальная теория относительности представляет собой действительно зрелый предмет; квантовая теория поля и хромодинамика по-прежнему являются областями активного исследования, в которых существует множество нерешенных вопросов.

Вдохновившись своими успехами и многому на них научившись, физики вошли в XXI век с идеями для дальнейшего синтеза: идеи, которые приближают к созданию единого описания на первый взгляд различных сил природы, а также единого описания на первый взгляд различных эфиров, которые мы используем сегодня, готовы к тестированию. У нас есть некоторые тонкие намеки на то, что эти идеи ведут нас в правильном направлении. Следующие несколько лет будут потрачены на их тестирование в огромном ускорителе частиц БАК (Большом адронном коллайдере).

Что есть материя? Ньютоновская физика дала абсолютный ответ на этот вопрос: материя — это то, что обладает массой. Несмотря на то что мы больше не рассматриваем массу в качестве основного свойства материи, она остается важным аспектом реальности, которому мы должны отдать должное.

В книге «Математические начала натуральной философии» (1686), монументальном труде, усовершенствовавшем классическую механику и положившем начало эпохи Просвещения, Исаак Ньютон сформулировал три закона движения. По сей день курсы по классической механике обычно начинаются с изучения некоторой версии трех законов Ньютона. Однако эти законы не являются полными. Существует еще один принцип, без которого три закона Ньютона теряют бóльшую часть своей силы. Этот скрытый принцип был настолько основополагающим для ньютоновского восприятия физического мира, что он считал его не законом, управляющим движением материи, а самим определением материи.

Когда я преподаю классическую механику, я начинаю с выявления скрытого предположения, которое я называю нулевым законом Ньютона. И я подчеркиваю, что он ошибочен! Как определение может быть ошибочным? И как ошибочное определение может являться основой великого научного труда?

Легендарный датский физик Нильс Бор различал два вида истины. Для поверхностной, тривиальной истины обратным утверждением является ложь. Для глубокой истины обратным утверждением является глубокая истина. Следуя этой логике, мы могли бы сказать, что поверхностная ошибка заводит в тупик, а глубокая ошибка ведет к прогрессу. Любой человек может совершить тривиальную ошибку, но чтобы совершить глубокую ошибку, нужно быть гением.

Нулевой закон Ньютона представлял собой глубокую ошибку. Она была центральной догмой Старого порядка, который на протяжении более двух столетий главенствовал в физике, химии и астрономии. Только в начале XX века работы Планка, Эйнштейна и других ученых начали оспаривать Старый порядок. К середине века под натиском новых экспериментальных открытий Старый порядок рухнул.

Это разрушение открыло путь новому творению. Наш Новый порядок выявляет совершенно иное понимание материи. Новый порядок основывается на законах, которые отличаются от старых не только деталями, но и формой. В данной книге мы будем изучать эту революцию в базовом понимании и ее последствия.

Однако для оправдания этой революции нам сначала необходимо четко осознать недостатки Старого порядка. Поскольку его ошибки, по классификации Бора, являются глубокими. Старый порядок ньютоновской физики предоставлял нам относительно легкие и простые в использовании правила, которые позволяли довольно эффективно управлять физическим миром. На практике мы по-прежнему используем эти правила для ведения дел в наиболее спокойных, хорошо устоявшихся областях реальности.

Итак, сначала давайте внимательно рассмотрим как огромную силу, так и фатальную слабость скрытого предположения Ньютона, его нулевого закона. Этот закон гласит, что масса не создается и не уничтожается. Что бы ни случилось: столкновения, взрывы, миллионы лет ветров и дождей, — если сложить общую массу всей материи, существующей в начале, в конце или в любой промежуточный момент, вы всегда получите один и тот же результат. На научном сленге это означает, что масса сохраняется. Нулевой закон Ньютона известен под стандартным названием «закон сохранения массы».

Разумеется, чтобы превратить нулевой закон в значимое научное утверждение о физическом мире, мы должны указать, как массы измеряются и сравниваются между собой. Мы сделаем это через мгновение. Однако сначала позвольте мне объяснить, почему нулевой закон представляет собой не просто очередной научный закон, а стратегию понимания мира — стратегию, которая на протяжении очень длительного времени показывала себя с очень хорошей стороны.

Примечательно, что сам Ньютон обычно использовал фразу «количество материи», говоря о том, что мы теперь называем массой. Его формулировка подразумевает, что материи без массы быть не может. Масса является предельной мерой материи; она говорит вам, сколько материи у вас есть. Нет массы — нет материи. Таким образом, сохранение массы выражает сохранение материи, а на самом деле равнозначно ему. Для Ньютона нулевой закон был не столько эмпирическим наблюдением или экспериментальным открытием, сколько необходимой истиной; не настоящим законом, а определением. Вернее, как мы далее увидим, он выражал религиозную истину — факт, касающийся Божьего метода творения. (Во избежание недоразумений позвольте мне подчеркнуть, что Ньютон был дотошным эмпирическим ученым. Он проводил тщательную проверку, стараясь удостовериться в том, что следствия из его определений и предположений описывали Природу настолько точно, насколько их позволяли проверить методы тестирования того времени. Я не говорю, что Ньютон позволял своим религиозным идеям влиять на его воззрения, касающиеся реальности. Все немного тоньше: эти идеи формировали его интуитивное понимание того, как устроена реальность. Ньютон подозревал, что нечто подобное нулевому закону должно было быть правдой, основываясь не на результатах кропотливых экспериментов, а на довольно мощном интуитивном понимании, сформированном его религиозными идеями относительно устройства мира. Ньютон не сомневался в существовании Бога и ставил своей задачей в науке выявление способа, с помощью которого Бог управляет физическим миром.)

В своей более поздней работе «Оптика» (1704) Ньютон более конкретно выразил свое видение природы материи:

Теперь мы должны оставить эти опьяняющие философско-богословские идеи о том, почему сохранение массы может или должно быть правдой, и перейти к обычным измерениям, чтобы проверить их истинность.

Как мы измеряем массу? Наиболее известный способ заключается в использовании весов. Один из видов весов, которые имеются в ванной комнате сидящего на диете человека, сравнивает, насколько тело (имеется в виду тело этого человека) может сжать пружину. Похожим образом устроены весы, используемые рыбаками для сравнения, насколько сильно висящие тела (имеется в виду рыба) могут пружину растянуть. Степень растяжения или (для того, кто сидит на диете) сжатия пружины пропорциональна приложенной к телу и направленной вниз силе, которую мы называем весом тела, пропорциональным его массе.

Исходя из этого очень конкретного и практического критерия, сохранение массы говорит о том, что замкнутая система будет продолжать так же сильно растягивать пружину, что бы ни происходило внутри. Это подтвердил Антуан Лоран Лавуазье (1743–1784) с помощью, конечно же, более сложных и точных весов, чем те, которые находятся в вашей ванной комнате, в ходе многочисленных тщательных экспериментов, принесших ему титул отца современной химии. С помощью самых разнообразных химических реакций Лавуазье подтвердил равенство общего веса исходного материала и общего веса материала после реакции с максимальной доступной ему степенью точности (как правило, до тысячных долей или около того). Благодаря учету всего вещества, участвующего в реакции, включая газы, которые могли улетучиться, пепел, оставшийся после взрывов и т. д., он обнаруживал новые соединения и элементы. Лавуазье был обезглавлен во время Французской революции. Математик Жозеф Лагранж сказал: «Им потребовалась лишь секунда на то, чтобы отрубить эту голову, однако на создание подобной головы Франции может понадобиться не один век».

Использование весов для сравнения массы является практичным и эффективным способом, однако он не подходит в качестве общего, принципиального определения массы. Например, если ваше тело окажется в космосе, то его вес, измеренный с помощью весов, будет меньше, однако его масса останется прежней. (Весы соврут, а обхват талии не уменьшится.) Если закон сохранения массы является правдой, то лучше бы, чтобы масса оставалась той же! И это замкнутое на себя утверждение имеет реальное содержание, поскольку вы можете сравнить массы и другими способами. Например, можно сравнить скорость полета двух пушечных ядер, выстрелив ими из одной и той же пушки. Согласно другим ньютоновским законам движения, начальный импульс задает скорость, обратно пропорциональную массе. Поэтому, если одно пушечное ядро вылетит из пушки в два раза быстрее, чем другое, значит, оно имеет в два раза меньшую массу, вне зависимости от того, проводите вы этот эксперимент на поверхности Земли или в космосе.

Я не буду вдаваться в технические подробности процесса измерения массы, только скажу, что существует множество способов это сделать помимо использования весов и выстрелов из пушек, а также множество методов проверки их непротиворечивости друг другу.

Нулевой закон Ньютона признавался учеными на протяжении более двух столетий, и не только потому, что он соответствовал некоторым философским или богословским воззрениям. Он признавался потому, что работал. Вместе с остальными ньютоновскими законами движения и законом тяготения нулевой закон формирует основу математической дисциплины — классической механики, которая с удивительной точностью описывает движение планет и их спутников, странное поведение гироскопов и многие другие явления. Эти законы блестяще работают и в химии.

Однако происходит это не всегда. На самом деле закон сохранения массы может не работать.

На Большом электрон-позитронном коллайдере (БЭПК, Large Electron-Positron Collider, LEP), который на протяжении 1990-х годов работал в лаборатории ЦЕРН близ Женевы, электроны и позитроны (антиэлектроны) разгонялись до скоростей, на одну стомиллиардную (10^–11) меньше скорости света. После того как разгонявшиеся в противоположных направлениях частицы врезались друг в друга, оставалось множество осколков. В результате типичного столкновения могло получиться 10 π−мезонов (пи-мезонов, пионов), протон и антипротон. Теперь сравним общую массу до и после:

То, что получается в результате, весит примерно в 30 000 раз больше того, что было до столкновения. Ого!

Не многие законы когда-либо казались более фундаментальными, успешными и тщательно проверенными, чем закон сохранения массы. Тем не менее в данном случае он совершенно не подтверждается. Это похоже на то, как волшебник бросает в свою шляпу две горошины и вытаскивает из нее несколько десятков кроликов. Однако Мать-природа — не дешевый обманщик; ее «магия» представляет собой глубокую истину. Нам предстоит кое-что прояснить.

Пока считалось, что масса сохраняется, не было смысла спрашивать о ее происхождении. Она всегда неизменна. Точно так же вы могли бы спросить о происхождении числа 42. (На самом деле на этот вопрос существует своего рода ответ. Если масса сохраняется во всех случаях, за исключением тех, когда Бог создает элементарные частицы, то Бог является источником массы. Таков был ответ Ньютона. Однако это не тот тип объяснения, которого мы будем придерживаться в данной книге.)

В рамках классической механики ни один ответ на вопрос: «Откуда берется масса?» — не имеет смысла. Пытаясь получить массивные объекты из безмассовых, мы неизменно сталкиваемся с противоречиями. Это можно увидеть по-разному. Например:

• основа классической механики, уравнение F = ma, описывает отношение динамической концепции силы (F), суммирующей все ощущаемые телом воздействия, и кинематической концепции ускорения (a), которое определяет, как движется это тело в результате данных воздействий. Масса (m) является связующим звеном между этими двумя концепциями. В ответ на действие данной силы тело с малой массой будет набирать скорость быстрее, чем тело с большой массой. Тело нулевой массы сошло бы с ума! Чтобы понять, как оно должно двигаться, пришлось бы делить на ноль, что считается недопустимым. Поэтому для начала телу лучше бы иметь какую-то массу;

• в соответствии с ньютоновским законом тяготения каждое тело производит гравитационное воздействие, пропорциональное его массе. Пытаясь представить себе, что тело с ненулевой массой может состоять из не имеющих массы строительных блоков, вы приходите к противоречию. Гравитационное действие каждого строительного блока равно нулю, и неважно, сколько раз вы добавляете ноль к нулю, — вы все равно получите нулевое действие.

Второй закон Эйнштейна, m = Е / с², поднимает вопрос о том, может ли масса быть понята более глубоко — как энергия. Можем ли мы создать, как выразился Уилер, «массу без массы»?

Когда я еще только собирался начать преподавать в Принстоне, мой друг и наставник Сэм Трейман позвал меня в свой кабинет. Он хотел поделиться со мной своей мудростью. Сэм вытащил из ящика стола потрепанное руководство в мягкой обложке и сказал мне: «Во время Второй мировой войны ВМС приходилось в спешке обучать новобранцев налаживанию и использованию радиосвязи. Многие из этих новобранцев прибывали прямо с ферм, так что быстро ввести их в курс дела было очень трудно. С помощью той великолепной книги командованию военно-морского флота это удалось. Это шедевр педагогики. Особенно первая глава. Взгляни».

Он вручил мне книгу, открытую на первой главе. Она называлась «Три закона Ома». Я был знаком с одним законом Ома, известным соотношением V = IR, который связывает напряжение (V), силу тока (I) и сопротивление (R) в электрической цепи. Это оказалось первым законом Ома.

Мне было очень интересно узнать, каковы два других закона Ома. Перевернув несколько хрупких пожелтевших страниц, я обнаружил второй закон Ома: I = V / R. Я предположил, что третий закон Ома формулируется как R = I / V, и оказался прав.

Тем, кто знаком с элементарной алгеброй, так очевидно, что эти три закона эквивалентны друг другу, что данная история воспринимается как шутка. Однако в ней заключен глубокий смысл. (Кроме того, в ней есть и неглубокий смысл, который, как мне кажется, Сэм хотел до меня донести. При обучении начинающих вы должны несколько раз сказать одно и то же, но по-разному. Соотношения, которые бесспорны для профессионала, могут не быть таковыми для новичка. Студенты не будут возражать против объяснения очевидного. Очень немногие люди обижаются, когда вы позволяете им почувствовать себя умными.)

Глубокий смысл содержит заявление великого физика-теоретика Поля Дирака. Когда его спросили, как он открывает новые законы природы, Дирак ответил: «Я играю с уравнениями». Суть в том, что различные способы написания одного и того же уравнения могут говорить о совершенно разных вещах, даже если они являются логически эквивалентными.

Второй закон Эйнштейна формулируется следующим образом:

Первый закон Эйнштейна — это, разумеется, E = mc². Здорово, что первый закон предполагает возможность получения большого количества энергии из небольшого количества массы. Он наводит на мысль о ядерных реакторах и ядерных бомбах.

Второй закон Эйнштейна предполагает нечто совершенно иное. Он предполагает возможность объяснения того, как масса возникает из энергии.

На самом деле этот закон неправильно называть «вторым». В оригинальной работе Эйнштейна 1905 года вы не найдете уравнения E = mc². Вы встретите уравнение m = E / c². (Поэтому, возможно, нам следует назвать его нулевым законом Эйнштейна.) На самом деле в качестве названия этой статьи используется вопрос: «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Другими словами, может ли некоторое количество массы тела возникать из энергии содержащегося в нем вещества? С самого начала Эйнштейн размышлял о концептуальных основах физики, а не о возможности создания бомб или реакторов.

Понятие энергии играет гораздо более важную роль в современной физике, чем понятие массы. Это проявляется во многих отношениях. Сохраняется именно энергия, а не масса. Именно энергия фигурирует в таких фундаментальных уравнениях, как уравнение Больцмана для статистической механики, уравнения Шредингера для квантовой механики и уравнение Эйнштейна для гравитации. Масса в более техническом смысле проявляется в качестве метки для неприводимых представлений группы Пуанкаре. (Я даже не буду пытаться объяснить, что означает предыдущее утверждение, к счастью, суть заключается в самом факте утверждения.)

Таким образом, вопрос Эйнштейна бросает вызов. Если мы сможем объяснить массу в терминах энергии, мы улучшим наше описание мира. В этом случае в нашем рецепте нам потребуется меньшее количество ингредиентов.

Второй закон Эйнштейна позволяет дать хороший ответ на вопрос, который мы задали ранее. Откуда берется масса? Может быть, из энергии. На самом деле, как мы увидим далее, в основном так и есть.

Разберем два отличных вопроса, которые люди часто задают мне на моих публичных лекциях о происхождении массы. Если они возникли и у вас, примите мои поздравления! Эти вопросы касаются основных сложностей, связанных с возможностью объяснения массы в терминах энергии.

Вопрос 1: если E = mc², то масса пропорциональна энергии. Таким образом, если сохраняется энергия, не значит ли это то, что масса тоже сохраняется?

Ответ 1: короткий ответ заключается в том, что уравнение E = mc² на самом деле применяется только к изолированным телам в состоянии покоя. Жаль, что это наиболее известное широкой публике уравнение физики иногда бывает непригодно. Обычно, когда речь идет о движущихся или взаимодействующих телах, энергия и масса не являются пропорциональными. В этих случаях уравнение E = mc² просто не применяется.

Более подробный ответ можно найти в приложении A: «Частицы имеют массу, а мир — энергию».

Вопрос 2: как может что-то состоящее из не имеющих массы строительных блоков испытывать воздействие гравитации? Разве Ньютон не говорил нам о том, что сила тяжести, действующая на тело, пропорциональна его массе?

Ответ 2: в своем законе тяготения Ньютон действительно сказал, что действующая на тело сила тяжести пропорциональна его массе. Однако Эйнштейн в своей более точной теории гравитации, общей теории относительности, сказал нечто другое. Всю эту историю довольно сложно описать, и я не буду пытаться сделать это в данной книге. Очень грубо говоря, там, где Ньютон говорит, что сила пропорциональна m, более точная теория Эйнштейна говорит, что эта сила пропорциональна Е / с². Как мы уже говорили в предыдущем вопросе и ответе, это не одно и то же. Эти параметры почти одинаковы для изолированных, медленно движущихся тел, однако они могут быть очень разными для взаимодействующих систем тел или для тел, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

На самом деле сам свет является наиболее ярким примером. Частицы света, фотоны, имеют нулевую массу. Тем не менее свет отклоняется под действием силы тяжести, так как фотоны имеют ненулевую энергию, а сила тяжести воздействует на энергию. Действительно, одно из самых ярких подтверждений общей теории относительности — это отклонение лучей света Солнцем. В данной ситуации гравитация Солнца воздействует на не имеющие массы фотоны.

Если продолжить эти размышления, то одним из самых впечатляющих следствий общей теории относительности станет возможность представить себе объект с такой сильной гравитацией, что она изменяет траекторию фотонов. И настолько сильно, что частицы движутся назад, даже если сначала они двигались вперед. Такой объект представляет собой ловушку для фотонов. Ни одна частица света не может из нее выбраться. Это черная дыра.

«Старое» понимание атомного ядра в виде системы протонов и нейтронов, склеенных между собой или вращающихся друг вокруг друга, в конечном счете самоликвидировалось. Физики, искавшие силы, которые действуют на устойчивые частицы, вместо этого открыли изумительный новый мир превращений и неустойчивости.

В 1930 году стало понятно направление для следующего шага на пути к созданию полной теории материи. Путешествие вглубь атома достигло предела — его ядра.

Большая часть массы вещества заключена в атомных ядрах. Электрический заряд, сосредоточенный в них, создает электрические поля, которые определяют движение окружающих электронов. Ядра намного тяжелее, и поэтому обычно движутся гораздо медленнее, чем электроны. Последние являются действующими лицами в химических и биологических процессах (не говоря уже об электронике), а ядра находятся за кулисами и пишут сценарии.

Несмотря на то что в биологии, химии и электронике атомные ядра в основном остаются в тени, они блистают в истории о звездах. Именно из перекомпоновки и превращений ядер звезды, в том числе, конечно же, наше Солнце, черпают свою энергию. Таким образом, важность понимания атомных ядер была и остается очевидной.

Однако в 1930 году упомянутое понимание было примитивным, и задача его развития встала в физике очень остро. В своих лекциях Энрико Ферми рисовал нечеткое облако в центре диаграммы атома с пометкой: «Здесь драконы», как в древних картах. Здесь проходила граница того, что предстояло изучить.

С самого начала было ясно, что ядерным миром правят другие, новые силы. Классическими силами доядерной физики являются гравитация и электромагнетизм. Однако в ядрах действуют отталкивающие силы: ядро имеет общий положительный заряд, а одноименные заряды отталкиваются. Гравитационные силы, действующие на небольшое количество массы в любом отдельно взятом ядре, слишком слабы, чтобы преодолеть электрическое отталкивание. (Мы гораздо подробнее поговорим о слабости гравитации во второй части этой книги.) Нужна была новая сила. Она получила название сильного взаимодействия. Чтобы ядра оставались плотно связанными друг с другом, сильное взаимодействие должно было быть более мощным, чем любое из ранее известных.

Потребовались десятки лет усилий экспериментаторов и изощрений теоретиков, чтобы обнаружить фундаментальные уравнения, описывающие то, что происходит в атомных ядрах. Удивительно, что людям вообще удалось их найти.

Очевидная трудность заключается в том, что наблюдать эти уравнения в действии мешает малый размер атомного ядра. Оно примерно в 100 000 раз меньше самого атома. Это уводит нас в миллион раз дальше за пределы нанотехнологии. Ядра относятся к области микронанотехнологий. Пытаясь манипулировать ядрами с помощью макроскопических инструментов, например весов или обычного пинцета, мы получаем результат хуже, чем у великана, пытающегося поднять песчинку с помощью пары Эйфелевых башен. Это трудная задача. Для изучения ядерного мира необходимо было разработать совершенно новые методы проведения экспериментов и создать необычные виды инструментов. В следующей главе мы посетим ультрастробоскопический наномикроскоп (известный как Стэнфордский линейный ускоритель (Stanford Two Mile Linear Accelerator, SLAC)) и станцию творческого разрушения (известную как Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron collider, LEP; по-русски БЭПК), где были сделаны открытия, имеющие центральное значение для нашего повествования.

Другая трудность заключалась в том, что микронанокосм, как оказалось, следует законам, совершенно отличным от всего изученного ранее. Прежде чем отдать должное сильному взаимодействию, физики должны были отказаться от естественного для человека образа мыслей и заменить его странными новыми идеями. Мы рассмотрим эти идеи подробнее в нескольких следующих главах. Они настолько странные, что, если я просто приведу их в качестве фактов, они не покажутся вам правдоподобными[4], впрочем, они и не должны таковыми казаться. Некоторые из новых идей совершенно отличаются от всего известного прежде. Они могут противоречить — и, вероятно, на самом деле противоречат! — тому, что вы изучали в школе. (Это зависит от того, в какую школу вы ходили и когда.) В данной короткой главе я объясню, что подтолкнуло нас к революции. Эта глава служит для объединения традиционной концепции ядерной физики, которая по-прежнему приводится в большинстве попадавшихся мне учебников по физике для старшеклассников и первокурсников, с нашим новым пониманием.

Открытие Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 году стало знаковым событием. После открытия Чедвика путь к пониманию представлялся простым. Казалось, что обнаружены строительные блоки ядер. Ими являются протоны и нейтроны, два вида частиц, которые весят примерно одинаково (нейтрон на 0,2 % тяжелее) и имеют аналогичные сильные взаимодействия. Наиболее очевидные различия между протонами и нейтронами заключаются в том, что протон имеет положительный электрический заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Кроме того, изолированный нейтрон нестабилен. Период его существования — около 15 минут, после чего нейтрон превращается в протон (и при этом также возникают электрон и антинейтрино). Просто складывая вместе протоны и нейтроны, вы могли бы создавать модели ядра с разными зарядами и массами, которые примерно соответствуют аналогичным параметрам известных ядер.

Казалось, что понимание и уточнение этих моделей было лишь вопросом измерения сил, действующих на протоны и нейтроны. Данные силы удерживали бы ядра от распада. Уравнения, описывающие эти силы, стали бы теорией сильного взаимодействия. Решая уравнения указанной теории, мы могли проверить ее и сделать прогнозы. Таким образом, мы бы написали новую лаконичную главу под названием «ядерная физика», центральной идеей которой стала бы «ядерная сила», описываемая простым и элегантным уравнением.

Такая программа действий вдохновила экспериментаторов на изучение столкновений протонов с другими протонами (нейтронами или другими ядрами). Мы называем такие эксперименты, в процессе которых сталкивают частицы с другими и изучают то, что получилось, экспериментом по рассеянию. Идея заключается в том, что, изучая отклонение протонов и нейтронов, или, как мы говорим, рассеяние, вы можете определить, какие силы на них действуют.

Эта простая стратегия с треском провалились. Во-первых, сила оказалась очень сложной. Было установлено, что она имеет сложную зависимость не только от расстояния между частицами, но и от их скоростей и направлений их спинов[5]. Вскоре стало ясно, что нам не удастся обнаружить простой и красивый закон для этой силы, достойный места в одном ряду с законом тяготения Ньютона или законом Кулона для электричества.

Во-вторых, что было еще хуже, «сила» не была силой. При столкновении двух энергичных протонов происходит не просто их отклонение. Часто в результате образуется более двух частиц, которые не обязательно являются протонами. В самом деле в ходе проводимых физиками экспериментов по рассеянию при высокой энергии таким образом были обнаружены многие новые виды частиц. Новые частицы, которых были найдены десятки, нестабильны, поэтому мы обычно не наблюдаем их в природе. Однако при их подробном изучении оказалось, что другие их свойства, особенно сильные взаимодействия и размер, подобны аналогичным параметрам протонов и нейтронов.

После этих открытий стало неестественно рассматривать протоны и нейтроны сами по себе или думать, что основная проблема заключается в определении сил, обусловливающих их взаимодействие. Вместо этого «ядерная физика» в традиционном понимании стала частью более крупного предмета, включающего все новые частицы и очевидно сложные процессы их создания и распада. Для описания нового «зоопарка» элементарных частиц, этого нового вида драконов, было придумано название «адрон».

Опыт в области химии предполагал возможность объяснения всех этих сложностей. Может быть, протоны, нейтроны и другие адроны не являются элементарными частицами. Может быть, они состоят из более простых объектов, обладающих более простыми свойствами.

В самом деле, если вы проведете над атомами и молекулами такие же эксперименты, что и над протонами и нейтронами, изучая то, что остается после их столкновений, вы также получите сложные результаты. Вы могли бы перестраивать и разлагать молекулы для получения их новых видов (или возбужденных атомов, ионов и радикалов), иными словами, проводить химические реакции. Простому закону взаимодействия подчиняются только электроны и ядра. Атомы и молекулы, состоящие из многих электронов и ядер, ему не подчиняются. Может ли существовать аналогичная закономерность для протонов, нейтронов и их недавно обнаруженных сородичей? Может ли их очевидная сложность объясняться тем, что они состоят из более мелких строительных блоков, которые подчиняются гораздо более простым законам?

Разламывание чего-либо на куски может быть грубым способом, однако этот метод может оказаться и самым надежным для выяснения того, из чего оно состоит. Если достаточно сильно столкнуть два атома, они распадутся на составляющие их электроны и ядра. Так обнаруживаются строительные блоки, из которых они состоят.

Тем не менее поиск более простых строительных блоков внутри протонов и нейтронов привел к необычным трудностям. Если вы действительно сильно столкнете между собой протоны, то в результате получите еще больше протонов, иногда в сопровождении их адронных родственников. Типичным результатом при столкновении двух протонов при высокой энергии является появление трех протонов, антинейтрона и нескольких пи-мезонов. Общая масса появившихся в результате частиц превышает массу исходных. Мы обсуждали эту возможность ранее, и вот она снова нас настигла. Вместо того чтобы открыть более мелкие и легкие строительные блоки, переходя ко все более высокой энергии и производя все более сильные столкновения, вы просто находите еще больше того же самого. Тенденции к упрощению не наблюдается. Это все равно, как если бы вы столкнули между собой два яблока одного сорта и получили три яблока того же сорта, одно яблоко другого сорта, дыню, десяток вишен и пару кабачков.

Дракон Ферми превратился в кошмарную гидру из мифа. Отрежьте гидре голову, и на ее месте появится несколько новых.

Более простые строительные блоки существуют. Однако их фундаментальная «простота» подразумевает странное и парадоксальное поведение, которое делает их как революционными для теории, так и неуловимыми во время экспериментов. Чтобы их понять или даже воспринять, нам придется начать все с начала.

Введенные в качестве теоретической импровизации и никогда не наблюдаемые в изоляции кварки поначалу казались удобным вымыслом. Но когда они появились на снимках протонов, сделанных с помощью ультрастробоскопического наномикроскопа, кварки превратились в неудобную действительность. Их странное поведение поставило под сомнение основные принципы квантовой механики и теории относительности. Новая теория заново открыла кварки в качестве идеальных объектов математического совершенства. Уравнения этой новой теории также требовали новых частиц, цветных глюонов. Цветные глюоны суть воплощение идеи симметрии. Спустя несколько лет люди начали делать снимки кварков и глюонов в специально созданных для этого центрах творческого разрушения.

Название этой главы имеет два смысла. Первый заключается в существовании более мелких фрагментов в том, что совсем недавно считалось мельчайшими строительными блоками обычной материи, — в протонах и нейтронах. Эти более мелкие фрагменты называются кварками и глюонами. Разумеется, название чего-либо не объясняет его сути, как говорилось в трагедии Шекспира:

Это подводит нас ко второму, более глубокому, смыслу. Если бы кварки и глюоны представляли собой просто еще один слой в бесконечной, напоминающей луковицу сложной структуре внутри структуры, их названия были бы впечатляющими звучными словечками, с помощью которых вы могли бы впечатлить друзей на коктейльной вечеринке, но сами по себе они представляли бы интерес только для экспертов. Однако кварки и глюоны — это не «просто еще один слой». Правильно понятые, они в корне меняют наше представление о природе физической реальности, поскольку являются фрагментами в другом, гораздо более глубоком смысле, который мы используем, когда говорим о фрагментах информации. В определенной степени это качественно новые в науке воплощенные идеи.

Например, описывающие глюоны уравнения были открыты раньше, чем сами глюоны. Они принадлежат к классу уравнений, изобретенному Чжэньнином Янгом и Робертом Миллсом в 1954 году в качестве естественно-математического обобщения уравнений электродинамики Максвелла. Уравнения Максвелла уже давно были известны своей симметрией и мощью. Генрих Герц, немецкий физик, экспериментально доказавший существование предсказанных Максвеллом новых электромагнитных волн (которые мы сегодня называем радиоволнами), сказал об уравнениях Максвелла следующее:

К началу 1960-х годов экспериментаторы обнаружили десятки адронов с разными массами, временем жизни и характерным вращением (спином). Огромное количество открытий вскоре привело к некоторому «похмелью», поскольку простое накопление любопытных фактов при отсутствии какого-либо более глубокого смысла дурманило разум. В 1955 году в своей речи по случаю вручения Нобелевской премии Уиллис Лэмб пошутил:

Теоретические особенности кварков дозрели до пикантных парадоксов в начале 1970-х годов, когда Дж. Фридман, Г. Кендалл, Р. Тейлор и их сотрудники начали по-новому изучать протоны в Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC).

Вместо того чтобы сталкивать протоны и изучать то, что остается после столкновения, они фотографировали внутренности протонов. Я не хочу, чтобы это показалось простым, поскольку это не так. Чтобы заглянуть внутрь протонов, вы должны использовать «свет» с очень короткой длиной волны. В противном случае вы, по сути, пытались бы найти рыбу, анализируя ее влияние на длинные океанские волны. Фотоны, используемые для решения этой задачи, не являются частицами обычного света. Они находятся за пределами спектра ультрафиолетовых или даже рентгеновских лучей. Наномикроскоп, позволяющий изучать структуры объектов, размер которых в миллиард раз меньше размера объектов, изучаемых с помощью обычных оптических микроскопов, требует использования предельно жестких гамма-лучей.

Кроме того, внутри протонов все очень быстро движется, поэтому во избежание размытости снимка мы должны обеспечить хорошее временное разрешение. Другими словами, наши фотоны также должны отличаться чрезвычайно коротким временем жизни. Нам нужны вспышки или искры, а не длительная выдержка. Мы говорим о «вспышках», которые длятся 10^–24 секунды или меньше. Фотоны, которые нам требуются, живут так недолго, что их нельзя наблюдать сами по себе. Вот почему они называются виртуальными фотонами. Ультрастробоскоп, который улавливает события длительностью в триллионную триллионной мгновения ока (на самом деле даже меньше), требует использования в высшей степени виртуальных фотонов. Поэтому «снимок» нельзя сделать с помощью проходящего «света», который обеспечивает освещение! Мы должны быть умнее и применять косвенные методы.

На линейном ускорителе в Стэнфорде ученые на самом деле сталкивали электроны с протонами и наблюдали появляющиеся в результате столкновения электроны. Возникающие электроны имеют меньшую энергию и импульс по сравнению с исходными. Поскольку энергия и импульс в целом сохраняются, потерянное электроном должно было быть унесено виртуальным фотоном и передано протону. Это, как мы уже говорили, часто приводит к тому, что протон сложным образом распадается. Гениальный новый подход, который принес Фридману, Кендаллу и Тейлору Нобелевскую премию, заключался в том, чтобы игнорировать все эти сложности и просто следить за электроном. Другими словами, мы просто движемся вместе с потоком энергии и импульса.

Таким образом, учитывая этот поток, мы можем определить вид виртуального фотона, изучая событие за событием, несмотря на то что мы не можем непосредственно «увидеть» этот фотон. Энергия и импульс виртуального фотона точно соответствуют энергии и импульсу, потерянным электроном. Измеряя вероятность того, что различные виды виртуальных фотонов с различной энергией и импульсами (соответствующими различным времени жизни и длине волны) «встретились с чем-то» и были поглощены, вы можете составить представление о том, что находится внутри протона. Эта процедура аналогична составлению картины внутреннего строения человеческого тела путем изучения того, как поглощаются рентгеновские лучи, хотя детали в данном случае значительно сложнее. Достаточно сказать, что в этом процессе используются очень изощренные методы обработки изображений.

Разумеется, внутренняя структура протонов на самом деле не похожа ни на что из того, что вы когда-либо видели или могли увидеть. Наши глаза не приспособлены (то есть недостаточно развиты) для того, чтобы различать такие маленькие расстояния и временные отрезки, поэтому любое визуальное представление ультрастробонаномикромира должно представлять собой смесь карикатуры, метафоры и обмана. Учитывая это предупреждение, пожалуйста, взгляните сейчас на рис. 6.1. Далее мы его обсудим.

^{Рис. 6.1 (начало). Изображения внутреннего строения протона: а — протон, движущийся почти со скоростью света, кажется сжатым в направлении движения в соответствии с теорией относительности; б — хорошее предположение о том, как может выглядеть протон изнутри, выдвинутое до появления доступных снимков. Объяснение того, почему это предположение является неправильным, вы найдете далее в тексте}

^{Рис. 6.1 (продолжение). Изображения внутреннего строения протона: в, г — два фактических снимка. Поскольку в квантовой механике доминирует эффект неопределенности, все снимки выглядят по-разному! Внутри протона находятся кварки и глюоны, которые также движутся почти со скоростью света. Они разделяют между собой полную энергию протона, а размер стрелок указывает на их относительные доли. д, е — при увеличении разрешения можно увидеть больше деталей. Например, вы можете обнаружить, что то, что казалось кварком, оказывается кварком и глюоном, а то, что казалось глюоном, оказывается кварком и антикварком}

Представляя эти иллюстрации, я использовал трюк Ричарда Фейнмана. Как мы уже отмечали, внутри протона все движется очень быстро. Чтобы замедлить ход событий, мы представляем себе, что протон движется мимо нас со скоростью, близкой к скорости света. (В главе 9 мы обсудим, как выглядят протоны, если не использовать трюк Фейнмана.) Извне протон выглядит как блин, сплющенный в направлении движения. Это знаменитое сокращение Фицджеральда — Лоренца из специальной теории относительности. Более важным для наших целей является другой известный релятивистский эффект замедления времени. Замедление времени означает, что в быстро движущихся объектах время течет медленнее. Таким образом, то, что находится внутри протонов, кажется практически неподвижным. (Все, что в нем находится, конечно же, разделяет общее движение всего протона.) Эффекты сокращения Фицджеральда — Лоренца и замедления времени были объяснены в сотнях популярных книг по теории относительности, поэтому я не останавливаюсь на них здесь, а просто их использую.

Важно подчеркнуть, что квантовая механика абсолютно необходима для описания даже самых элементарных наблюдений, касающихся внутренней структуры протонов. В частности, нам бросается в глаза неопределенность, которой славится квантовая механика и которая так тревожила Эйнштейна. Если сделать несколько снимков протона при строго идентичных условиях, вы получите разные результаты. Нравится вам это или нет, факты налицо. Самое большее, на что мы можем надеяться, — это на способность предсказать относительные вероятности получения различных результатов.

Это обилие сосуществующих возможностей, как в явлениях, так и в квантовой теории, которая их описывает, бросает вызов традиционной логике. Успех квантовой теории в описании реальности превосходит и в некотором смысле сбрасывает с пьедестала классическую логику, где одни суждения считаются истинными, а другие — неизбежно ложными. Однако это является примером творческого разрушения, которое дает возможность построить что-то новое. Например, позволяет примирить две, казалось бы, противоречивые идеи о том, что собой представляют протоны. С одной стороны, внутри протона все находится в постоянном движении. С другой — все протоны всегда и везде ведут себя одинаково (то есть каждый протон дает одни и те же вероятности!). Если протон в некоторый момент времени отличается от самого себя в другой момент времени, как все протоны могут быть одинаковыми?

Вот как. Каждое отдельное возможное состояние внутренней структуры протона A со временем преобразуется в другое состояние, скажем, B. Однако в это же время некоторое состояние C преобразуется в А. Таким образом, состояние A по-прежнему существует: новая копия заменяет старую. И в более общем смысле, несмотря на изменение каждого отдельного состояния, в целом их распределение остается неизменным. Это похоже на спокойно текущую реку, которая всегда выглядит одинаково, несмотря на то что каждая ее капля постоянно изменяется. Мы глубже погрузимся в эту реку в главе 9.

Снимки, сделанные Фридманом и его сотрудниками, содержали как откровение, так и загадку. На этих снимках внутри протонов можно было различить некие сущности, очень маленькие субчастицы. Фейнман, который отвечал за большую часть процесса обработки изображений, назвал эти внутренние объекты партонами (от слова part — часть протона). Это злило Мюррея Гелл-Манна, как я узнал на собственном опыте, когда впервые его встретил. Он спросил меня, над чем я работаю. Я сделал ошибку, сказав, что пытаюсь улучшить партонную модель.

Я слышал, что исповедь полезна для души, поэтому здесь я признаюсь, что упомянул о партонах не по незнанию. Мне было интересно посмотреть, как Гелл-Манн отреагирует на идиому своего соперника. Как писал Измаил о своей первой встрече с капитаном Ахавом, реальность превзошла ожидания.

Гелл-Манн посмотрел на меня вопросительно. «Партоны?» Пауза, выражение глубокой концентрации на лице. «Партоны?! Что такое партоны?» Затем он снова сделал паузу и задумался, после чего его лицо просветлело: «О, вы, должно быть, имеете в виду те штуки, о которых говорит Дик Фейнман! Частицы, которые не подчиняются квантовой теории поля. Нет такого понятия. Это просто кварки. Не следует позволять Фейнману загрязнять язык науки своими шутками». Наконец, он спросил авторитетным тоном: «Не имеете ли вы в виду кварки?»

Некоторые сущности, выявленные Фридманом и его сотрудниками, действительно были похожи на кварки. Они отличались странным дробным электрическим зарядом и точным спиновым числом, которыми должны были обладать кварки. Однако протоны также содержат другие фрагменты, не похожие на кварки. Позднее они были интерпретированы как цветные глюоны. Поэтому и Гелл-Манн, и Фейнман были правы: внутри протона есть кварки и кое-что еще.

В моей альма-матер, Чикагском университете, продаются толстовки, на которых написано:

Как кварки Гелл-Манна, так и партоны Фейнмана имели раздражающую особенность, которая выражалась в том, что они хорошо работали на практике, но не в теории.

Мы уже обсуждали, как кварковая модель помогла организовать зоопарк адронов, правда, с помощью безумных правил. Партонная модель использовала другие безумные правила, но на этот раз для интерпретации изображений внутренней структуры протона. Правила партонной модели очень просты: для выполнения расчетов вы должны предположить, что фрагменты внутри протона — кварки, партоны, называйте как угодно — не имеют никакой внутренней структуры и не взаимодействуют друг с другом. Разумеется, они взаимодействуют с другими фрагментами, в противном случае протоны бы просто разлетелись. Однако идея партонной модели заключается в хорошем приблизительном описании того, что происходит за очень короткий промежуток времени на очень коротких расстояниях, без учета взаимодействия. И именно для получения доступа к этим коротким временным промежуткам и коротким расстояниям используется ультрастробоскопический наномикроскоп SLAC. Таким образом, партонная модель говорит о том, что с помощью этого инструмента вы должны получить четкое видение внутреннего строения протона, что и происходит на самом деле. Кроме того, вы должны увидеть и другие базовые строительные блоки, если таковые имеются, и это тоже происходит.

Все это звучит очень разумно, почти интуитивно очевидно — ничего особенного не может произойти за крайне короткий промежуток времени в очень маленьком объеме. Что в этом безумного?

Проблема в том, что, когда вы добираетесь до очень малых расстояний и очень коротких временных промежутков, в игру вступает квантовая механика. Когда вы принимаете во внимание квантовую механику, то «разумное, почти интуитивно очевидное» ожидание того, что в течение короткого времени в небольшом объеме ничего особенного произойти не может, начинает казаться весьма наивным.

Чтобы понять это, не вдаваясь слишком глубоко в подробности, рассмотрим принципы неопределенности Гейзенберга. Согласно первоначальному принципу неопределенности, чтобы точно определить положение, мы должны смириться с невозможностью точного определения импульса. Внести дополнение в первоначальный принцип неопределенности Гейзенберга потребовала теория относительности, которая связывает пространство со временем и импульс с энергией. Этот дополнительный принцип говорит о том, что для точного определения времени мы должны смириться со значительной неопределенностью в плане энергии. Сочетая эти два принципа, мы обнаруживаем, что для фиксации коротких временных промежутков с высоким разрешением мы должны смириться с плавающими показателями суммарного импульса и энергии.

Как ни странно, основная методика в экспериментах Фридмана — Кендалла — Тейлора, что мы уже отмечали, заключалась именно в измерении энергии и импульса. Однако здесь нет никакого противоречия. Наоборот, их техника является прекрасным примером использования принципа неопределенности Гейзенберга для достижения определенности. Дело в том, что для получения изображения пространства-времени с высоким разрешением вы можете — и должны — объединить результаты многих столкновений с различными показателями энергии и импульса, переданных протону. Затем в процессе обработки изображений принцип неопределенности, по сути, применяется в обратном направлении. Вы производите тщательно продуманную выборку результатов при различных энергиях и импульсах, чтобы извлечь точные позиции и показатели времени. (Для экспертов: вы делаете преобразования Фурье.)

Поскольку для получения четкого изображения вам необходимо допустить большой разброс показателей энергии и импульса, вы должны, в частности, предусмотреть возможность получения больших значений. При больших значениях энергии и импульса вы можете получить доступ ко многим «вещам», например к множеству частиц и античастиц. Эти виртуальные частицы возникают и исчезают очень быстро, не перемещаясь далеко. Помните, что мы столкнулись с ними только в процессе фиксации коротких временных промежутков с высоким разрешением! Мы не увидим их в обычном смысле, если не обеспечим энергию и импульс, необходимые для их создания. И даже тогда то, что мы видим, представляет собой не исходные нетронутые виртуальные частицы — такие, которые появляются и исчезают спонтанно, а реальные частицы, которые мы можем использовать для воссоздания исходных виртуальных частиц в процессе обработки изображений.

Вирусы могут ожить только благодаря более сложным организмам. Виртуальные частицы являются еще более иллюзорными, поскольку для их возникновения требуется помощь извне. Тем не менее они присутствуют в наших квантово-механических уравнениях, и в соответствии с этими уравнениями виртуальные частицы влияют на поведение частиц, которые мы можем видеть.

Казалось разумным ожидать того, что виртуальные частицы будут оказывать сильное влияние тогда, когда мы имеем дело с сильно взаимодействующими между собой частицами, вроде тех, которые составляют протоны. Ученые, занимающиеся квантовой механикой, ожидали, что чем глубже и быстрее заглядывать внутрь протонов, тем больше виртуальных частиц и сложных структур можно увидеть. И поэтому подход Фридмана — Кендалла — Тейлора не казался таким уж перспективным. Снимок, сделанный с помощью ультрастробоскопического наномикроскопа, представлял бы собой расплывчатое пятно[8].

Однако он не был расплывчатым пятном. На нем были различимы приводящие ученых в ярость партоны. Известный мудрый совет Эйнштейна гласит: «Сделайте все так просто, как только возможно, но не проще». Партоны представляли собой слишком простую концепцию.

Давайте представим, что мы — виртуальные частицы. Возникнув, мы должны решить, что делать в течение своей очень короткой жизни. (Это не так уж и трудно себе представить.) Мы оцениваем обстановку. Предположим, что неподалеку есть положительно заряженная частица. Если мы заряжены отрицательно, мы находим эту частицу привлекательной и пытаемся прижаться к ней. Если мы положительно заряжены, то мы находим другую частицу отталкивающей, воспринимаем как соперника или угрозу и отходим. (Ни того ни другого не происходит.)

Отдельные виртуальные частицы возникают и исчезают, но вместе они превращают сущность, которую мы называем пустым пространством, в динамическую среду. Из-за поведения виртуальных частиц реальный положительный заряд частично экранируется. То есть положительный заряд обычно окружен облаком компенсирующих отрицательных зарядов, которые находят его привлекательным. Издалека мы не чувствуем полную силу положительного заряда, поскольку эта сила частично отменяется отрицательным облаком[9]. Другими словами, эффективный заряд увеличивается по мере приближения и уменьшается по мере удаления. Эта ситуация изображена на рис. 6.2.

^{Рис. 6.2. Экранирование заряда виртуальными частицами. Центральная линия показывает положительно заряженную реальную частицу, зафиксированную в пространстве, — она движется вдоль вертикальной линии по мере прохождения времени. Эта реальная частица окружена виртуальными парами частиц — античастиц, которые возникают в случайные моменты времени, ненадолго разделяются и исчезают. Положительный заряд реальной частицы притягивает отрицательно заряженный элемент каждой виртуальной пары и отталкивает положительный элемент. Таким образом, реальная частица окружается и ее положительный заряд частично экранируется отрицательно заряженным облаком виртуальных частиц. Издалека мы наблюдаем меньший эффективный заряд, поскольку отрицательное виртуальное облако частично отменяет центральный положительный заряд}

Это поведение прямо противоположно тому, которого мы ожидаем от кварков в кварковой модели или от партонов в партонной модели. Предполагается, что кварки в кварковой модели слабо взаимодействуют друг с другом на близком расстоянии. Однако если их эффективный заряд является наибольшим в непосредственной близости, то мы обнаружим нечто совершенно противоположное. Они будут наиболее сильно взаимодействовать друг с другом, когда находятся близко друг к другу, и слабее, когда они находятся друг от друга далеко и их заряды экранированы. Партоны в партонной модели при ближайшем рассмотрении должны выглядеть как простые отдельные частицы. Но если каждый партон обволакивает густое облако виртуальных частиц, вместо этого мы увидим те самые облака.

Очевидно, мы подошли бы гораздо ближе к описанию кварков, если бы смогли обеспечить эффект, противоположный экранированию, — создать облака, которые усиливают центральный заряд, а не отменяют его. Благодаря такому антиэкранированию мы могли иметь силы слабые на близком расстоянии, но возрастающие по мере удаления благодаря облакам. Электрический заряд экранируется, а не антиэкранируется, поэтому подходящую модель нам нужно искать в другом месте. Мы, конечно же, найдем ее, в противном случае я бы не поднял данную тему. Просто для того, чтобы мы могли говорить об этом, давайте временно называть гипотетическую антиэкранированную вещь зорядом. (Мы обнаружим, что обобщенный вид заряда, цветной заряд, ведет себя как зоряд.)

Если облака виртуальных частиц антиэкранируют зоряд, то сила реального, центрального зоряда увеличивается по мере удаления. Вы можете получить мощные силы на больших расстояниях из небольшого центрального зоряда, поскольку окружающие виртуальные частицы увеличивают его влияние. Таким образом, если кварки имеют зоряд вместо электрического заряда или в дополнение к нему, вы можете получить кварки, которые слабо взаимодействуют друг с другом на близком расстоянии, как предусмотрено кварковой моделью, и сильно взаимодействуют между собой, находясь друг от друга далеко. Вы даже можете сделать это, не прибегая к астрологии, как я объясню далее. Кроме того, вы можете получить партоны, не скрытые плотными облаками, поскольку их обусловленная облаком сила — их эффективный зоряд — убывает в непосредственной близости от них.

А что можно сказать по поводу неограниченного возрастания силы с увеличением расстояния, которое угрожало восстановить репутацию астрологии? Это возрастание является результатом, который мы получаем для изолированной зоряженной частицы. Однако большое облако имеет свою цену. (Можно сказать, что расширяющиеся облака стоят очень дорого.) Для создания такого возмущения требуется энергия, и вам понадобилось бы бесконечное количество энергии, чтобы обеспечить его поддержание на бесконечном расстоянии. Поскольку доступная энергия конечна, Природа не позволит нам создать изолированную зоряженную частицу. С другой стороны, мы можем иметь систему зоряженных частиц, в которой зоряды, например, компенсируют друг друга, или еще проще — зоряженную частицу и античастицу. Виртуальные частицы, которые находятся далеко от зоряда и отменяющего его антизоряда, не почувствуют какого-либо притяжения, и поэтому образование облаков не будет продолжаться. Это начинает все менее походить на оправдание астрологии и все больше на оправдание дьявольских правил кварковой модели! Одна и та же умная идея позволяет нам устранить все влияния, действующие на дальнем расстоянии, и удержать целые классы частиц.

Антиэкранирование — это ужасное слово. Стандартный, использующийся в области физики термин «асимптотическая свобода» не намного лучше[10]. Идея заключается в том, что по мере сокращения расстояния эффективный цветной внутренний заряд все больше приближается к нулю, но никогда его не достигает. Нулевой цветной заряд означает полную свободу — никакое влияние не оказывается и не ощущается. Эта степень свободы увеличивается, как говорят математики, асимптотически.

Как бы вы ее ни называли, асимптотическая свобода является перспективной идеей для описания кварков и оправдания концепции партонов. Мы хотели бы иметь теорию с асимптотической свободой, которая согласуется с основными принципами физики. Но существует ли такая теория?

Правила квантовой механики и специальной теории относительности являются настолько жесткими и мощными, что создать теорию, которая подчинялась бы обеим, очень сложно. Те, которые им соответствуют, носят название релятивистской квантовой теории поля. Поскольку мы знаем лишь несколько основных способов построения релятивистской квантовой теории поля, мы можем изучить все возможности, чтобы выяснить, обеспечивает ли какая-то из них асимптотическую свободу.

Необходимые расчеты выполнить нелегко, но возможно[11]. Следствием этой работы стало то, что каждый ученый надеется найти в результате научного исследования, но редко находит: ясный, уникальный ответ. Почти все релятивистские квантовые теории поля подразумевают экранирование. Это интуитивно очевидное, «разумное» поведение на самом деле почти неизбежно. Но не совсем. Существует небольшой класс асимптотически свободных теорий (с антиэкранированием). В своей основе все они подразумевают наличие обобщенных зарядов, введенных Янгом и Миллом. В этом небольшом классе асимптотически свободных теорий существует только одна, которая, похоже, может описать реальные кварки (и глюоны). Эта теория называется квантовой хромодинамикой или КХД.

Как я уже говорил, КХД подобна квантовой версии электродинамики — квантовой электродинамике, или КЭД, на стероидах. Она содержит в себе очень много симметрии. Для базового понимания КХД нам нужно разобраться в некоторых глубинных основах, используя понятие симметрии, и затем мы построим свое описание этой теории с помощью рисунков и аналогий.

Самая большая проблема может заключаться в представлении того, как связать все эти абстракции и метафоры с чем-либо реальным и конкретным. Чтобы размять воображение, давайте рассмотрим фотографию того, чего не существует. На рис. 6.3 изображены кварк, антикварк и глюон.

^{Рис. 6.3. Эта фотография сделана на Большом электрон-позитронном коллайдере (БЭПК), который работал в ЦЕРНе, близ Женевы, в 1990-е годы. Потоки частиц, или струи, возникающие в результате этого столкновения, ведут себя в соответствии с теоретическими предсказаниями для кварка, антикварка и глюона. Струи позволяют получить удобные для работы сведения об объектах, которые нельзя наблюдать как частицы в обычном смысле}

Разумеется, камера не создает снимки с подписями «кварк, антикварк, глюон». Полученное изображение нуждается в некоторой интерпретации.

Во-первых, давайте проанализируем изображенные объекты, используя повседневный язык. Мы видим сложные очертания магнитов и других компонентов ускорителя и детектора. Вы можете различить тонкую трубку, проходящую через середину. Это канал ускорителя, по которому движутся электроны и позитроны. На этом изображении показана лишь небольшая часть, соответствующая нескольким метрам машины БЭПК, заполняющей круговой тоннель длиной 27 километров. (Кстати, в том же самом туннеле теперь размещается Большой адронный коллайдер (БАК)[12], в котором вместо электронов и позитронов используются протоны и который работает на более высоких энергиях. В следующих главах мы поговорим о БАК подробнее.) Пучки электронов и позитронов, циркулирующих в противоположных направлениях, разгоняются до огромных энергий так, что их скорость практически достигает скорости света. Два луча пересекаются в нескольких точках, и там происходят столкновения. Эти особые точки окружены большими детекторами, которые способны отслеживать «искры» и фиксировать тепло, возникающее в результате столкновения частиц. Линии на изображении представляют собой следы частиц, а точки с внешней стороны говорят о количестве тепла.

Следующим шагом является перевод описания увиденного с языка поверхностного представления на язык глубинной структуры. Этот перевод подразумевает совершение концептуального шага, подобного скачку веры[13]. Прежде чем совершить этот скачок, давайте укрепим нашу веру.

Отец Джеймс Малли познакомил меня с самым глубоким и ценным принципом научного метода. (Данный принцип имеет и множество других применений.) Он сказал, что узнал его в семинарии, где тот назывался кредо иезуитов. Это принцип гласит:

Я интуитивно следовал этому принципу на протяжении многих лет, не зная о том, что его одобряет церковь. Теперь я использую его на более систематической основе и с чистой совестью.

В теоретической физике кредо иезуитов замечательно взаимодействует с принципом Эйнштейна: «Сделайте все так просто, как только возможно, но не проще». Вместе они говорят нам о том, что мы должны делать самые радужные предположения относительно простоты вещей[14]. При получении отрицательного результата мы всегда можем попросить прощения и попробовать еще раз, не тратя времени на получение разрешения.

Принимая это во внимание, давайте выскажем простейшее предположение: как учесть то, что получается в результате столкновений, основываясь на наших представлениях о глубинной структуре физического мира. Согласно теории квантовой электродинамики (КЭД), электрон и его античастица, позитрон, могут аннигилировать друг с другом, произведя виртуальный фотон. Виртуальный фотон, в свою очередь, может превратиться в кварк и антикварк. Так гласит КЭД. Этот базовый процесс изображен на рис. 6.4.

^{Рис. 6.4. Пространственно-временная диаграмма базового процесса, в котором электрон и позитрон аннигилируют, образуя виртуальный фотон, который затем материализует пару «кварк — антикварк»}

В этот момент ситуация становится рискованной, поскольку, как мы уже обсуждали, кварк (и антикварк) не могут существовать в изоляции. Они должны удерживаться внутри адронов. Процесс наращивания облака виртуальных частиц и нейтрализации цветных зарядов, ведущий от кварков к адронам, может быть очень сложным. Эти сложности могут затруднить идентификацию признаков исходных кварка и антикварка, подобно тому как, глядя на последствия камнепада, бывает сложно понять, из-за какого камня он начался. Однако давайте попробуем разобраться в этом в духе кредо иезуитов, надеясь на лучшее.

Первоначальные кварк и антикварк, которые возникают в результате столкновения, имеют огромную энергию и движутся в противоположных направлениях[15]. Теперь предположим, что формирование облака и нейтрализация цветового заряда обычно осуществляется плавно, путем создания и переупорядочения цветных зарядов без особых нарушений общего потока энергии и импульса. Мы называем этот вид создания частиц без существенного изменения в общем потоке мягким излучением. После этого мы увидели бы два роя частиц, движущихся в противоположных направлениях, каждый из которых унаследовал бы суммарную энергию и импульс породившего его кварка или антикварка. И это именно то, что мы наблюдаем в большинстве случаев. Типичная картина изображена на рис. 6.5.

^{Рис. 6.5. Двухструйный процесс, который мы интерпретируем как материализацию кварка и антикварка}

Время от времени мы также наблюдаем жесткое излучение, которое оказывает влияние на общий поток. Кварк или антикварк может излучить глюон. Тогда мы увидим три струи вместо двух. На БЭПК это происходит примерно в 10 % столкновений. Приблизительно в 10 % от 10 % событий, то есть в 1 %, мы наблюдаем четыре струи и т. д.

Теоретическая интерпретация наших иллюстраций схематически приведена на рис. 6.6.

При такой интерпретации мы можем совместить несовместимое в том, что касается кварков. Несмотря на невозможность наблюдения изолированных кварков, мы можем видеть их благодаря потокам, которые они индуцируют. В частности, мы можем проверить, соответствуют ли вероятности получения различного количества струй, выходящих под разными углами и по-разному разделяющих суммарную энергию, вероятностям, вычисляемым для кварков, антикварков и глюонов с помощью теории квантовой хромодинамики (КХД). На БЭПК были произведены сотни миллионов столкновений, поэтому мы можем провести точное и детальное сравнение теоретических предсказаний и экспериментальных результатов.

^{Рис. 6.6. Схема излучения: а — как мягкое излучение создает струи адронов из кварка и антикварка; б — как жесткое излучение глюона, за которым следует большое количество мягкого излучения, производит три струи}

Это работает. И именно поэтому я с полной уверенностью могу сказать, что объекты, которые вы видите на рис. 6.3, — это кварк, антикварк и глюон. Тем не менее, чтобы увидеть эти частицы, мы должны были расширить наши представления о том, что значит видеть что-либо, а также о том, что такое частица.

Давайте доведем рассмотрение наших изображений кварков/глюонов до логического завершения, соединив его с двумя мощными идеями — асимптотической свободой и квантовой механикой.

Между наблюдаемыми в виде струй кварками и глюонами и асимптотической свободой существует прямая связь. Ее легко объяснить с помощью преобразований Фурье, но, к сожалению, сами преобразования Фурье не так легко объяснить, поэтому мы не пойдем этим путем. Далее приведено объяснение, которое является менее точным, но требует большей фантазии (и меньшей подготовки).

Чтобы объяснить, почему кварки и глюоны появляются (только) в виде струй, мы должны объяснить, почему мягкое излучение является частым явлением, а жесткое излучение — редким. Асимптотическая свобода подразумевает две центральные идеи. Во-первых, цветной заряд, присущий элементарной частице — будь то кварк, антикварк или глюон, — является небольшим и не очень мощным. Во-вторых, облако виртуальных частиц, окружающее элементарную частицу, является разреженным вблизи от нее, но сгущается по мере удаления. Это окружающее облако увеличивает фундаментальную силу частицы. Именно окружающее облако, а не основной заряд частицы делает сильное взаимодействие сильным.

Излучение имеет место, когда частица выходит из равновесия со своим облаком. Тогда переупорядочение, которое восстанавливает равновесие в цветных полях, вызывает излучение глюонов или пар «кварк — антикварк», подобно тому как переупорядочение в атмосферных электрических полях вызывает молнии, а переупорядочение в тектонических плитах — землетрясения и извержения вулканов. Как кварк (антикварк или глюон) выходит из равновесия со своим облаком? Одним из вариантов может быть его внезапное выскакивание из виртуального фотона, как это происходило в экспериментах на БЭПК, которые мы обсуждали. Для достижения равновесия вновь образованный кварк должен нарастить свое облако, начиная от центра, где этот процесс инициируется его небольшим цветным зарядом. Соответствующие изменения невелики и постепенны, поэтому они производят лишь небольшие потоки энергии и импульса, то есть мягкое излучение. По-другому кварк может выйти из равновесия со своим облаком, если он будет вытолкнут квантовыми флуктуациями глюонных полей. Жесткое выталкивание может породить жесткое излучение. Однако поскольку присущий кварку цветной заряд мал, реакция кварка на квантовые флуктуации в глюонных полях часто бывает ограниченной, и поэтому жесткое излучение наблюдается редко. Вот почему более вероятно возникновение двух, а не трех струй.

Связь наших фотографий с основами квантовой механики является еще более очевидной и не требует такого сложного объяснения. Мы в очередной раз обнаруживаем, что многократное повторение одного и того же действия каждый раз дает разные результаты. Мы видели это и раньше при работе с ультрастробоскопическим наномикроскопом, который делает снимки протонов; мы видим это, работая с машиной творческого разрушения, которая делает снимки пустого пространства. Если бы мир вел себя классически и предсказуемо, то, несмотря на вложенный миллиард евро, БЭПК представлял бы собой очень скучную машину: каждое столкновение просто воспроизводило бы результат первого, и у нас была бы лишь одна фотография для изучения. Вместо этого наши квантовые теории предсказывают, что одна и та же причина может порождать разные результаты. И мы находим этому подтверждения. Мы можем предсказать относительные вероятности для различных результатов. Основываясь на многократных повторениях, мы способны детально проверить эти предсказания. Таким образом, мы можем справиться с краткосрочной непредсказуемостью. А последняя, в конце концов, полностью совместима с долгосрочной предсказуемостью.

Основной идеей квантовой хромодинамики является симметрия. «Симметрия» — это общеупотребительное слово, и его смысл, как и смысл других подобных слов, является не вполне однозначным. Симметрия может означать баланс, приятные пропорции, регулярность. В математике и физике значение этого слова согласуется со всеми этими идеями, но является более четким.

Мне нравится определение, согласно которому симметрия означает, что у вас есть отличие без различия.

Юристы тоже используют фразу «отличие без различия». В этом контексте она обычно означает выражение того же самого, но другими словами. Вот пример от комика Алана Кинга:

Для понимания математической концепции симметрии рассмотрим пример. Мы можем построить симпатичную маленькую башню примеров, содержащую наиболее важные идеи в легко усваиваемой форме, в мире треугольников (рис. 7.1).

^{Рис. 7.1. Простой пример симметрии: а — вы не можете перевернуть неравносторонний треугольник, не изменив его; б — если вы повернете равносторонний треугольник на 120° вокруг его центра, он не изменится}

Вы не можете перевернуть большинство треугольников, не изменив их (см. рис. 7.1, а). Тем не менее равносторонние треугольники являются особенными. Вы можете повернуть равносторонний треугольник на 120 или 240° (то есть дважды), получив при этом ту же самую форму (см. рис. 7.1, б). Равносторонний треугольник обладает нетривиальной симметрией, поскольку она допускает отличия (между треугольником и его повернутыми версиями), которые, в конце концов, не создают каких-либо различий (повернутые варианты имеют ту же форму). И наоборот, если кто-то говорит вам, что треугольник выглядит так же, будучи повернутым на 120°, вы можете сделать вывод о том, что этот треугольник является равносторонним (или что человек лжет).

Следующий уровень сложности проявляется тогда, когда мы рассматриваем набор треугольников с разными видами сторон (рис. 7.2). Конечно, если мы повернем один из них на 120°, мы не получим тот же треугольник — стороны не будут совпадать. На рис. 7.2 первый треугольник (RBG) поворачивается, превращаясь во второй треугольник (BGR), второй поворачивается, превращаясь в третий (GRB), а третий поворачивается, превращаясь в первый. Однако полный набор, содержащий все три треугольника, не изменяется[16].

^{Рис. 7.2. Более сложный пример симметрии. Равносторонние треугольники без различных «цветных» сторон (здесь цвета обозначаются так: R(ed) — красный, B(lue) — синий, G(reen) — зеленый) изменяются при поворотах на 120°; однако весь набор из трех треугольников возвращается в исходное состояние}

С другой стороны, если кто-то говорит вам, что треугольник с тремя различными видами сторон наряду с некоторыми другими вещами выглядит по-прежнему после поворота на 120°, вы можете сделать вывод о том, что треугольник равносторонний, а также о том, что существует два равносторонних треугольника с различным расположением сторон (или о том, что человек лжет).

Давайте добавим последний слой сложности. Вместо треугольников со сторонами разных цветов рассмотрим законы, связанные с этими треугольниками. Например, простой закон может заключаться в том, что при сжатии треугольника он аккуратно сворачивается так, что его стороны искривляются. Теперь предположим, что мы исследовали только треугольники RBG, так что мы действительно вывели закон сжатия только для этих треугольников. Если мы знаем, что вращение на 120° обеспечивает отличие без различий, то есть поворот на 120° определяет симметрию в математическом смысле, то мы можем сделать вывод не только о существовании других видов треугольников, но и том, что они тоже аккуратно сворачиваются при сжатии.

Эта серия примеров на простых формах демонстрирует мощь симметрии. Если мы знаем, что объект обладает симметрией, мы можем сделать вывод относительно некоторых его свойств. Если мы знаем, что набор объектов обладает симметрией, то на основании знания одного объекта мы можем сделать вывод о существовании и свойствах других. И если мы знаем, что законы природы обладают симметрией, то на основании знаний об одном объекте мы можем сделать вывод о существовании, свойствах и поведении новых объектов.

В современной физике симметрия позволяет предсказывать существование новых форм материи и формулировать новые, более всеобъемлющие законы. Например, специальную теорию относительности можно рассматривать в качестве постулата симметрии. Она говорит нам о том, что уравнения физики должны выглядеть по-прежнему, если мы преобразуем все объекты в этих уравнениях, добавив постоянную величину к их скоростям. Эта величина переносит один мир в другой, движущийся относительно него с постоянной скоростью. Специальная теория относительности говорит, что это отличие не дает различия — поведение в обоих мирах описывается одними и теми же уравнениями.

Несмотря на то что детали являются более сложными, процедуры использования симметрии для понимания нашего мира в основном соответствуют тем, которые мы использовали в нашем простом примере из мира треугольников. Мы считаем, что наши уравнения могут быть преобразованы таким образом, чтобы они в принципе изменились, и после этого мы требуем, чтобы они фактически не менялись. Возможное отличие не имеет никакого значения. Как и в примерах с треугольниками, для обеспечения общей симметрии должны соблюдаться несколько правил. Объекты, которые присутствуют в уравнениях, должны иметь особые свойства, образовывать связанные наборы и подчиняться тесно связанным законам.

Таким образом, симметрия может быть мощной идеей с богатыми следствиями. Кроме того, эту идею очень любит Природа. Приготовьтесь к публичной демонстрации любви.

Теория кварков и глюонов называется квантовой хромодинамикой или КХД. Уравнения КХД приведены на рис. 7.3[17].

^{Рис. 7.3. Приведенный здесь лагранжиан L для КХД в принципе представляет собой полное описание сильного взаимодействия. Здесь m_j и q_j — это масса и квантовое поле кварка сорта j, а A — это глюонное поле с пространственно-временными индексами μ, ν и цветовыми индексами а, b, c. Значения числовых коэффициентов ƒ и t полностью определяются цветовой симметрией. Помимо масс кварков, константа взаимодействия g является единственным свободным параметром в теории. На практике, чтобы вычислить что-либо с помощью лагранжиана L, требуются немалая изобретательность и упорный труд}

Довольно компактно, не правда ли? Ядерная физика, новые частицы, странное поведение, происхождение массы — все здесь!

На самом деле вам не стоит сразу удивляться тому факту, что мы можем записать уравнения в компактной форме. Наш умный друг Фейнман показал, как записать уравнение Вселенной в одну строку. Вот оно:

U = 0.

U — это определенная математическая функция, выражающая все. Это сумма вкладов всех частичных законов физики. Чтобы быть точным, U = U_Ньютон + U_{Эйнштейн} + … Например, вклад ньютоновской механики U_Ньютон определяется как U_Ньютон = (F − ma)²; вклад эйнштейновского соотношения «масса/энергия» определяется как U_{Эйнштейн} = (Е − mc²)² и т. д. Поскольку каждый вклад положителен или равен нулю, то единственный способ обращения U в ноль подразумевает обращение в ноль каждого вклада. Поэтому выражение U = 0 подразумевает то, что F = ma, E = mc², и это касается любого другого прошлого или будущего закона!

Так мы можем охватить все известные нам законы физики и учесть еще не открытые в одном универсальном уравнении. Теория Всего!!! Разумеется, это жульничество, поскольку не существует никакого способа использовать или даже определить U, кроме разбиения на отдельные фрагменты и их дальнейшего применения.

Уравнения, приведенные на рис. 7.3, очень сильно отличаются от шуточной унификации Фейнмана. Как и в U = 0, в управляющих уравнениях КХД зашифровано множество отдельных более мелких уравнений. (Для экспертов: управляющие уравнения содержат матрицы тензоров и спиноров, более мелких уравнений, компоненты которых включают обычные числа.) Тем не менее существует большая разница. Когда мы раскладываем уравнение U = 0, мы получаем множество не связанных друг с другом вещей. Когда мы раскладываем управляющие уравнения КХД, мы получаем уравнения, которые связаны симметрией — цветов, различных направлений в пространстве, а также симметрией специальной теории относительности между системами, движущимися с постоянной скоростью. Все их содержимое непосредственно доступно, а распаковывающие их алгоритмы вытекают из однозначной математики симметрии. Итак, позвольте мне заверить вас в том, что вы сейчас действительно удивитесь! Это по-настоящему элегантная теория.

Данная элегантность проявляется, в частности, в том, что суть КХД можно без серьезного искажения отразить в нескольких простых картинках. Они приведены на рис. 7.5. Мы обсудим их прямо сейчас.

Но сначала в качестве разминки и для сравнения я хотел бы в аналогичном формате представить суть квантовой электродинамики (КЭД). Как следует из названия, КЭД предполагает квантово-механическое описание электродинамики. Теория КЭД несколько старше теории КХД. Основные уравнения квантовой электродинамики были сформулированы уже к 1931 году, однако на протяжении долгого времени люди совершали ошибки при попытке их решения и получали бессмысленные (бесконечные) ответы, из-за чего эти уравнения получили плохую репутацию. И только около 1950 года несколько блестящих теоретиков (Ханс Бете, Синъитиро Томонага, Джулиан Швингер, Ричард Фейнман, Фримен Дайсон) решили проблему.

Суть КЭД можно выразить с помощью единственного изображения, приведенного на рис. 7.4, а. На нем показано, что фотон реагирует на присутствие или движение электрического заряда. Эта маленькая картинка, хоть и кажется мультяшной, представляет собой гораздо больше, чем метафору. Это базовый процесс системного метода решения уравнений квантовой электродинамики, которым мы обязаны Фейнману. (Да, опять он. Прости, Мюррей.) Диаграммы Фейнмана изображают процессы в пространстве и времени, в результате которых частицы находившиеся в некотором месте в одно время, перемещаются в другое место в некоторое другое время. Между этими моментами они могут влиять друг на друга.

Возможные процессы и влияния в квантовой электродинамике строятся путем произвольного соединения мировых линий (то есть путей в пространстве и времени) электронов и фотонов с использованием базового процесса. Это легче сделать, чем описать, и вы легко получите общее представление, тщательно изучив рис. 7.4, б — е.

^{Рис. 7.4. Суть КЭД: а — суть квантовой электродинамики состоит в следующем: фотоны реагируют на электрический заряд; б — хорошее приближение к силе взаимодействия между электронами в результате обмена виртуальными фотонами; в — более точное приближение подразумевает такие вклады; г — да будет свет! Ускоренный электрон может испустить фотон; д — полностью виртуальный процесс; е — излучение пары «электрон — позитрон». Антиэлектрон, или позитрон, представлен в виде электрона, движущегося назад во времени}

Для каждой диаграммы Фейнмана совершенно конкретные математические правила определяют вероятность того, что изображаемый на ней процесс произойдет. Правила для сложных процессов, вероятно, с участием многих реальных и виртуальных заряженных частиц и множества реальных и виртуальных фотонов построены на основе базового процесса. Это похоже на сборку из конструктора TinkerToy. Частицы представляют собой различные виды палочек, которые можно использовать, а базовый процесс — соединяющие их катушки или узлы. Учитывая наличие этих элементов, можно сказать, что правила строительства полностью определены. Например, на рис. 7.4, б показано, как присутствие одного электрона влияет на другой. Правила диаграмм Фейнмана говорят вам, насколько велика вероятность того, что обмен одним виртуальным фотоном, как показано на рисунке, заставит электроны отклониться на конкретную величину. Другими словами, они расскажут вам о силе! В этой диаграмме заключена классическая теория электрических и магнитных взаимодействий, которую мы преподаем студентам. В эту теорию вносятся поправки, когда вы принимаете во внимание более редкие процессы, предполагающие обмен двумя виртуальными фотонами, как показано на рис. 7.4, в. Кроме того, фотон может вырваться на свободу, как показано на рис. 7.4, г: это то, что мы называем электромагнитным излучением, одной из форм которого является свет. Могут иметь место и такие процессы, в которых все частицы виртуальные, как показано на рис. 7.4, д. Поскольку ни одна из участвующих частиц не является наблюдаемой, этот «вакуумный» процесс может показаться академическим или метафизическим, однако мы увидим, что такого рода процессы имеют огромную важность[18].

Уравнения Максвелла для радиоволн и света, уравнение Шредингера для атомов и химии, а также более утонченная версия Дирака, включающая спин и антиматерию, — все это и многое другое закодировано в этих закорючках.

Выраженная в той же живописной манере теория КХД выступает в качестве расширенной версии КЭД. Ее более сложный набор компонентов и базовых процессов приведен на рис. 7.5. Соответственно, она имеет более сложную расшифровку.

На уровне этой иллюстрации КХД очень похожа на КЭД, только больше. Диаграммы выглядят почти одинаково, и правила их оценки похожи, однако здесь представлено больше видов палочек и катушек. Если точнее, то, тогда как в КЭД есть только один вид заряда, а именно электрический заряд, в КХД их три.

Три вида заряда в КХД без особой на то причины называются «цветами». Эти «цвета», разумеется, не имеют ничего общего с цветом в обычном смысле этого слова; скорее, они очень похожи на электрический заряд. В любом случае мы будем называть их красным, зеленым и синим. Каждый кварк имеет одну единицу того или иного цветного заряда. Кроме того, кварки бывают разных сортов или «ароматов». Два аромата, которые играют определенную роль в обычной материи, называются u и d, верхний и нижний[19]. Кварковые «ароматы» также не имеют ничего общего с запахом, как кварковые «цвета» не имеют ничего общего с цветом. Кроме того, эти метафорические названия для кварков u и d (дзенский коан: каков вверх на вкус?) не означают, что между ароматами и направлениями в пространстве существует какая-то реальная связь. Не вините меня; когда я получаю возможность назвать частицу, я употребляю по-научному звучащие слова, например «аксион» и «энион».

^{Рис. 7.5 (начало). Компоненты и процессы КЭД: а — кварки (антикварки) являются носителями одной положительной (отрицательной) единицы цветного заряда. Их роль в КХД аналогична роли электронов в КЭД. Сложность заключается в существовании нескольких различных сортов, или ароматов, кварков. Два из них, которые имеют большое значение для обычного вещества, являются самыми легкими и называются u и d (следует сказать, что существуют и различные ароматы электронов, называемые мюонами и тау-лептонами, однако я старался избегать лишних сложностей); б — существует восемь различных цветных глюонов. Каждый переносит единицу цветового заряда и приносит другой цвет (возможно, тот же самый). Сумма каждого цветового заряда сохраняется. Для глюонов существует 3 × 3 = 9 различных вариантов. Но одна конкретная комбинация, так называемый цветовой синглет SU(3), который одинаково реагирует на все заряды, отличается от других. Мы должны избавиться от него для получения совершенно симметричной теории. Таким образом, мы предполагаем, что существует ровно восемь глюонов. К счастью, этот вывод подтверждается экспериментом. Глюоны в КХД играют роль, аналогичную роли фотонов в КЭД}

^{Рис. 7.5 (продолжение). Компоненты и процессы КЭД: в — два показательных базовых процесса, где глюоны просто реагируют, или и реагируют, и изменяют цветной заряд кварков; г — качественно новой чертой КХД по сравнению с КЭД является существование процессов, в которых цветные глюоны влияют друг на друга. Фотоны этого не делают}

Продолжая аналогию между КЭД и КХД, следует сказать о существовании фотоноподобных частиц, называемых цветными глюонами, которые должным образом реагируют на присутствие или движение цветного заряда, подобно тому как фотоны реагируют на электрический заряд.

Итак, существуют u−кварки с единицей красного заряда, d−кварки с единицей зеленого заряда — всего шесть различных возможностей. И вместо одного фотона, который реагирует на электрический заряд, в КХД существует восемь цветных глюонов, которые могут либо реагировать на другие цветные заряды, либо изменить один цветной заряд на другой. Таким образом, существует довольно большое разнообразие палочек и катушек, с помощью которых их можно соединить. Вам покажется, что все эти возможности создают ужасные сложности и беспорядок. И так бы все и было, если бы не удивительная симметрия теории. Например, если везде заменить красный синим, у вас все равно получатся те же самые закономерности. Симметрия КХД позволяет непрерывно смешивать цвета, образуя смеси, и правила должны быть одинаковыми как для смесей, так и для чистых цветов. Эта расширенная симметрия является чрезвычайно мощной. Она фиксирует относительную силу всех узлов.

Несмотря на все сходства, между КХД и КЭД, есть и несколько существенных различий. Во-первых, реакция глюонов на цветной заряд, измеряемый с помощью константы взаимодействия КХД, является гораздо более энергичной по сравнению с реакцией фотонов на электрический заряд.

Во-вторых, как показано на рис. 7.5, в, кроме реагирования на цветной заряд глюоны также могут изменять один цветной заряд на другой. Допускаются все возможные изменения такого рода. Тем не менее каждый цветной заряд сохраняется, поскольку сами глюоны могут переносить несбалансированные цветные заряды. Например, если в результате поглощения глюона кварк с синим зарядом изменяется на кварк с красным зарядом, то поглощенный глюон переносил одну единицу красного заряда и минус одну единицу синего заряда. С другой стороны, кварк с синим зарядом может испустить глюон с одной единицей синего заряда и минус одной единицей красного заряда; в результате этого процесса он превращается в кварк с красным зарядом.

Третье, самое глубокое, различие между КХД и КЭД является следствием второго. Поскольку глюоны реагируют на присутствие и движение цветного заряда и переносят несбалансированный цветной заряд, глюоны, в отличие от фотонов, реагируют непосредственно друг на друга.

Фотоны, напротив, являются электрически нейтральными. Они не реагируют друг на друга. Мы все знаем это, даже если никогда об этом не задумывались. Когда вы оглядываетесь вокруг в солнечный день, все освещено отраженным в разные стороны светом, однако вы видите сквозь него. Бои на световых мечах, которые вы наблюдали в «Звездных войнах», не могут иметь места в нашем мире. Возможное объяснение: это фильм о технологически развитой цивилизации в далекой-далекой галактике, в которой, вероятно, используются лазеры с цветными глюонами.

В любом случае каждое из этих различий больше усложняет процесс вычисления последствий КХД, чем последствий КЭД. Поскольку основное взаимодействие является более сильным в КХД, чем в КЭД, более сложные диаграммы Фейнмана с большим количеством узлов создают относительно большие вклады в любой процесс. А поскольку существуют различные возможности для маршрутизации потоков цвета и больше разнообразных видов узлов, на каждом уровне сложности существует гораздо больше диаграмм.

Асимптотическая свобода позволяет вычислить такие вещи, как общие потоки энергии и импульса в струях. Это связано с тем, что многие события мягкой радиации не сильно влияют на общий поток, поэтому мы можем игнорировать их в наших расчетах. Нашего внимания требуют лишь немногочисленные узлы, в которых возникает жесткое излучение. Таким образом, используя карандаш и бумагу, человек без особого труда может рассчитать относительную вероятность появления различного количества струй, выходящих под разными углами с различной долей энергии. (Конечно, этому человеку не помешают ноутбук и несколько лет, проведенных в аспирантуре.) В других случаях уравнения решаются с получением лишь приблизительных результатов и с приложением героических усилий. В главе 9 мы обсудим эти героические усилия, позволяющие рассчитать массу протона, начиная от безмассовых кварков и глюонов, и таким образом определить происхождение массы.

Пытаясь отдать должное способу, при использовании которого постулат о высокой степени симметрии (то, что мы называем локальной симметрией) вынуждает нас включить в уравнения цветные глюоны и таким образом предсказать их существование и все их свойства, я вспомнил один из моих любимых афоризмов Пита Хейна:

Так или иначе, приступим к прозе и стихам.

Ранее в тексте, где мы обсуждали цветные треугольники и их симметрию, была сноска о том, что вам следует игнорировать факт нахождения разных треугольников в разных местах. С точки зрения логики и математики это имеет смысл. В математике мы часто игнорируем незначительные детали, чтобы сконцентрироваться на наиболее интересных, существенных особенностях. Например, в геометрии стандартной процедурой является использование линий, имеющих нулевую толщину и продолженных до бесконечности в обоих направлениях. Однако с точки зрения физики несколько странным является предположение о том, что симметрия требует не принимать во внимание местонахождение вещей. Например, странно, что симметрия между красным зарядом и синим зарядом требует превратить кварки с красным зарядом в кварки с синим зарядом и наоборот во всей Вселенной. Более естественным является предположение о возможности произвести только локальные изменения, не беспокоясь о далеких частях Вселенной.

Эта естественная с физической точки зрения версия симметрии называется локальной симметрией. Локальная симметрия представляет собой гораздо более сильное допущение, чем альтернативная, глобальная симметрия. Локальная симметрия является огромным набором отдельных симметрий, грубо говоря, отдельных симметрий для каждой точки пространства и времени. В нашем примере мы можем изменить красный заряд на синий в любом месте и в любой момент времени. Таким образом, каждое место и момент времени определяют свою собственную симметрию. Глобальная симметрия не делает различий между единицами цветного заряда в разных местах и в разные моменты времени. В случае глобальной симметрии вы должны сделать это преобразование повсеместно и во все моменты времени, и вместо бесконечного множества независимых симметрий у вас будет только одна согласованная версия.

Поскольку локальная симметрия выступает более сильным допущением по сравнению с глобальной, она накладывает больше ограничений на уравнения или, другими словами, на форму физических законов. На самом деле ограничения, налагаемые локальной симметрией, являются настолько серьезными, что на первый взгляд может показаться: их невозможно примирить с идеями квантовой механики.

Прежде чем объяснять эту проблему, я приведу краткий обзор соответствующих положений квантовой механики: в ней мы должны допустить возможность того, что частица может наблюдаться в разных местах с разными вероятностями. Эти вероятности описываются волновой функцией. Большие значения волновой функции соответствуют большой вероятности, а малые значения — малой вероятности (количественно вероятность равна квадрату волновой функции). Кроме того, «красивые» (или «хорошие») и гладкие волновые функции, которые соответствуют плавным изменениям в пространстве и времени, имеют меньшую энергию по сравнению с теми, которым свойственны резкие изменения.

Теперь перейдем к сути проблемы: давайте предположим, что у нас есть «хорошая» гладкая волновая функция для кварка, переносящего красный цветной заряд. Теперь применим наш пример локальной симметрии в малом пространстве, изменив красный цветной заряд на синий. После этого превращения наша волновая функция станет изменяться быстро. Внутри этого небольшого пространства она имеет только синий цветной компонент, а снаружи — только красный цветной. Итак, мы превратили низкоэнергетическую волновую функцию без резких изменений в волновую функцию, которая быстро изменяется и, следовательно, описывает состояние высокой энергии. Это изменение состояния приведет к изменению поведения кварков, которое мы описываем безошибочно, поскольку существует множество способов обнаружить изменения в уровне энергии. Например, согласно второму закону Эйнштейна вы можете определить энергию кварка, взвесив его. Однако вся суть симметрии заключается в том, что преобразование не должно приводить к изменению поведения вещей[20]. Мы хотим получить отличие без различия.

Таким образом, чтобы получить уравнения, имеющие локальную симметрию, мы должны исправить правило, согласно которому резкие изменения волновой функции обязательно соответствуют большой энергии. Мы должны предположить, что энергия не регулируется только крутизной изменения волновой функции; необходимы дополнительные поправочные члены. Вот где в игру вступают глюонные поля. Поправочный член содержит продукты различных глюонных полей (восемь для КХД) с различными цветными компонентами кварковых волновых функций. Если вы все делаете правильно, то при локальном преобразовании изменяется и волновая функция кварков, и глюонное поле, однако энергия волновой функции, включая поправочные члены, остается прежней. Эта процедура не предполагает никакой двусмысленности — локальная симметрия диктует то, что вы должны делать на каждом этапе.

Подробности этого процесса очень трудно передать словами. Это на самом деле, как говорилось в приведенном выше афоризме, «легче сделать, чем сказать», и если вы хотите увидеть, как все это делается, с уравнениями, вам следует обратиться к техническим статьям или учебникам. Я упомянул некоторые из наиболее доступных в примечаниях. К счастью, вам не обязательно вникать в подробности, чтобы понять главный философский смысл, который заключается в следующем.

Чтобы получить локальную симметрию, мы должны ввести глюонные поля. И мы должны обеспечить способы взаимодействия этих глюонных полей с кварками и друг с другом. Идея — локальная симметрия — производит конкретный набор уравнений. Другими словами, реализация идеи ведет к реальности-кандидату.

Реальность-кандидат, содержащая цветные глюоны, воплощает в себе идею локальной симметрии. Новые составляющие — цветные глюонные поля — являются частью рецепта для мира-кандидата. Существуют ли они в нашем мире? Как мы уже обсуждали и даже видели на фотографиях, они на самом деле существуют. Реальность-кандидат, родившаяся из идей, — это наша собственная реальность.

Что есть пространство: пустая сцена, на которой физический мир материи разыгрывает свою драму; равноправный участник, создающий фон и имеющий свою собственную жизнь; или первичная реальность, вторичным проявлением которой является материя? Мнения по этому вопросу развивались и несколько раз радикально менялись на протяжении всей истории науки. Сегодня торжествует третья точка зрения. Там, где наши глаза ничего не видят, наш разум, обдумывая откровения точных экспериментов, обнаруживает некую Сетку, которая является основой физической реальности.

Философские и научные идеи относительно того, из чего состоит мир, продолжают изменяться. Самые лучшие современные картины мира содержат множество недоработок и загадок. Очевидно, что последнее слово еще не было сказано. Однако мы знаем достаточно для того, чтобы сделать некоторые удивительные выводы, выходящие за рамки разрозненных фактов. Эти выводы предлагают некоторые ответы на вопросы, которые традиционно считались принадлежащими к области философии или даже теологии.

Для естественной философии самый важный вывод, сделанный на основе КХД и асимптотической свободы, заключается в том, что пространство, которое мы считаем пустым, в действительности является бурной средой, активность которой и формирует наш мир. Другие открытия современной физики подтверждают и обогащают этот вывод. Далее, исследуя существующие границы, мы увидим, как понимание «пустого» пространства в качестве богатой динамической среды насыщает наши самые лучшие идеи, касающиеся объединения сил.

Итак: из чего состоит мир? Приведем многогранный ответ современной физики, как всегда, допускающий дополнения и поправки.

• Первичный компонент физической реальности, из которого все возникло, заполняющий пространство и время.

• Каждый фрагмент — каждый элемент пространства-времени — имеет те же основные свойства, что и любой другой фрагмент.

• Основной компонент реальности оживлен квантовыми процессами. Квантовое поведение обладает особыми характеристиками. Оно спонтанно и непредсказуемо. И для наблюдения квантовых явлений вы должны обеспечить возмущение этого компонента.

• Основной компонент реальности также содержит устойчивые материальные компоненты. Они превращают космос в многослойный, разноцветный сверхпроводник.

• Основной компонент реальности содержит метрическое поле, которое обеспечивает пространственно-временную жесткость и является причиной гравитации.

• Основной компонент реальности имеет вес и универсальную плотность.

Существуют слова, которые отражают различные аспекты ответа на вышеприведенный вопрос. «Эфир» — это старое понятие, оно наиболее близкое, однако несет на себе клеймо устаревших идей и не охватывает некоторых новых. Термин «пространство-время» является логически целесообразным для описания того, что неизбежно существует везде и всегда и обладает постоянными свойствами. Однако понятие «пространство-время» обладает еще большим багажом, включающим среди прочего сильный намек на пустоту. «Квантовое поле» представляет собой технический термин, который суммирует первых три аспекта, но не включает трех последних, кроме того, он кажется слишком техническим, что мешает его применению в области естественной философии.

Я буду использовать слово «Сетка» для обозначения первичного материала, из которого состоит мир. Это слово имеет несколько преимуществ.

• Мы привыкли применять математические сетки для размещения слоев структуры, как показано на рис. 8.1.

• Наши бытовые приборы, светильники и компьютеры питаются от электрической сети. Физический мир, который мы наблюдаем, в общем-то черпает свою энергию из Сетки.

• Мощно развивающийся проект, частично обусловленный потребностями физики[21], представляет собой технологию, предусматривающую интеграцию множества рассредоточенных компьютеров в функциональные единицы, к чьей суммарной мощности можно получать доступ по мере необходимости и из любой точки. Эта технология известна как грид-технология (от англ. grid — «сетка»).

• Слово «Сетка» — короткое.

• «Сетка» — это не «Матрица». Мне очень жаль, но сиквелы запятнали этого кандидата. Не имеет «Сетка» ничего общего и с «Боргом».

^{Рис. 8.1. Сетка, старая и новая: а — Сетка, которая часто используется для описания того, как различные вещи распределены в пространстве; б — Сетка, которая лежит в основе нашей самой успешной картины мира и имеет несколько аспектов. Сетка с этими аспектами присутствует всегда и везде. Обычная материя является вторичным проявлением Сетки, соответствующим уровню ее возбуждения}

Споры о пустоте пространства начались задолго до развития современной науки и восходят по крайней мере к древнегреческим философам. Аристотель писал: «Природа не терпит пустоты», в то время как его противники атомисты придерживались мнения, которое поэт Лукреций выразил словами:

Эхо этих старых дебатов прокатилось на заре современной науки во время научной революции XVII века. Рене Декарт предложил основывать научное описание природного мира на том, что он называл первичными качествами: на расширении (по сути, форме) и движении. Материя не должна была иметь каких-либо других свойств, кроме этих. Важным следствием такого подхода является то, что влияние одного фрагмента вещества на другой может происходить только через контакт (близкодействие) — не имеющий свойств, помимо расширения и движения, фрагмент материи может узнать о других фрагментах, только касаясь их. Таким образом, чтобы описать, например, движение планет, Декарт должен был ввести заполняющий пространство «пленум» невидимой материи. Он предусматривал сложное море водоворотов и завихрений, обусловливающих движение планет.

Исаак Ньютон преодолел все эти потенциальные сложности, сформулировав точные и успешные математические уравнения для движения планет на основе своих законов движения и тяготения. Ньютоновский закон тяготения не вписывается в схему Декарта. Он постулирует действие на расстоянии (дальнодействие) вместо влияния посредством контакта. Например, согласно закону Ньютона, Солнце оказывает гравитационное воздействие на Землю, хотя не находится в контакте с Землей. Несмотря на то что его уравнения позволяли точно и подробно описать движение планет, Ньютона не устраивало дальнодействие. Он писал:

Исторически специальная теория относительности была основана на исследовании электричества и магнетизма, результатом которого стала теория поля Максвелла. Таким образом, специальная теория относительности возникла из описания мира, основанного на концепции сущностей (электрических и магнитных полей), которые заполняют все пространство. Такого рода описание представляло собой резкий разрыв с картиной мира, навеянной классической механикой Ньютона и теорией гравитации, которые были широко распространены ранее. Картина мира Ньютона была основана на частицах, которые оказывают друг на друга воздействие через пустое пространство.

Тем не менее положения специальной теории относительности выходят за рамки электромагнетизма. Сущностью специальной теории относительности является постулат симметрии: законы физики должны принимать одну и ту же форму после добавления ко всему их содержимому одной и той же постоянной скорости. Этот постулат является универсальной претензией, переросшей свои электромагнитные корни: симметрия специальной теории относительности применяется ко всем законам физики. Как мы упоминали ранее, Эйнштейну пришлось изменить законы механики Ньютона, чтобы они подчинялись той же симметрии, что и электромагнетизм.

Пока в работе по специальной теории относительности сохли чернила, Эйнштейн начал искать способы включения гравитации в новую схему. Это было началом десятилетнего поиска, о котором позднее Эйнштейн говорил следующее:

В конце концов он создал теорию гравитации на основе поля — общую теорию относительности. Мы подробнее поговорим об этой теории позже в этой главе. Несколько других умных людей, включая Пуанкаре, великого немецкого математика Германа Минковского и финского физика Гуннара Нордстрема, также работали над теориями гравитации, которые были бы согласованы с концепциями специальной теории относительности. Все они пришли к теориям поля.

Существует веская причина ожидать, что физические теории, согласующиеся со специальной теорией относительности, должны быть полевыми теориями. Вот она.

Главным результатом специальной теории относительности является существование предельной скорости — скорости света, которая обычно обозначается буквой с. Воздействие одной частицы на другую не может передаваться быстрее, чем с этой скоростью. Ньютоновский закон тяготения, согласно которому сила удаленного тела обратно пропорциональна квадрату расстояния прямо сейчас, не подчиняется этому правилу, так что он не согласуется со специальной теорией относительности. В реальности само по себе понятие «прямо сейчас» является спорным. События, которые неподвижному наблюдателю кажутся происходящими одновременно, не будут казаться таковыми наблюдателю, движущемуся с постоянной скоростью. Отказ от универсального понятия «сейчас» был, по словам самого Эйнштейна, самым сложным шагом в процессе создания специальной теории относительности:

«Все попытки удовлетворительно объяснить этот парадокс обречены на провал до тех пор, пока в бессознательном закреплена аксиома абсолютной природы времени, а именно, одновременности. Очевидно, что осознание этой аксиомы и ее произвольной природы уже предполагает решение проблемы».

Это удивительно, однако поскольку эта тема хорошо освещена в десятках популярных книг по теории относительности, я не буду углубляться в нее. Для целей настоящего изложения важно лишь то, что существует предельная скорость — с.

Теперь рассмотрим рис. 8.2. На рис. 8.2, а изображены мировые линии нескольких частиц. Их пространственные положения отмечены на горизонтальной оси, а моменты времени — на вертикальной. Со временем положения частиц изменяются. Положения частицы, меняющиеся во времени, составляют мировую линию этой частицы. Разумеется, у нас должно быть три пространственных измерения, однако даже два — это слишком много для плоской страницы, и, к счастью, нам достаточно одного, чтобы донести свою мысль. На рис. 8.2, б вы видите, что, если воздействие распространяется с конечной скоростью, то воздействие, например, частицы А на частицу В зависит от того, где частица B находилась раньше. Таким образом, чтобы вычислить совокупную силу, воздействующую на частицу, мы должны суммировать воздействия всех остальных частиц, поступающих из различных прежних времен. Это усложняет описание, как показано на рис. 8.2, в. Альтернативный подход также изображен на рис. 8.2, в. Он заключается в том, чтобы забыть об отслеживании отдельных прошлых положений и вместо этого сосредоточиться на совокупном воздействии. Другими словами, мы следим за полем, представляющим совокупность воздействий.

^{Рис. 8.2 (начало). Как специальная теория относительности приводит к полям: а — здесь изображены мировые линии нескольких частиц, показывающих, как их положения (горизонтальная ось) меняются с течением времени (вертикальная ось)}

^{Рис. 8.2 (продолжение). Как специальная теория относительности приводит к полям: б — если существует предельная скорость, то совокупная сила, воздействующая на любую данную частицу, будет зависеть от того, где другие частицы находились в прошлом. На рисунке также обозначены «линии воздействия», отражающие процесс распространения воздействия с предельной скоростью с; в — чтобы определить совокупную силу, мы можем либо отслеживать прошлые положения всех тел, либо просто сосредоточиться на сумме воздействий. Первая процедура соответствует теории частиц, а вторая (потенциально гораздо более простая) — теории поля}

Такой переход от описания частиц к описанию поля окажется особенно продуктивным, если поля подчиняются простым уравнениям так, что мы можем вычислить будущие значения полей, исходя из значений, которые они имеют в настоящее время, без необходимости учитывать прежние значения. Теория электромагнетизма Максвелла, общая теория относительности и КХД обладают этим свойством. Очевидно, Природа воспользовалась полями для сохранения относительной[25] простоты вещей.

Эйнштейн и Фейнман не знали о логике, предполагающей необходимость полевого описания для фундаментальной физики. Тем не менее, как мы уже видели, каждый из них был готов (и даже жаждал) вернуться к описанию, связанному с частицами.

То, что эти два великих физика в разное время и по разным причинам могли ставить под сомнение существование полей, заполняющих все пространство (важнейший аспект Сетки), показывает, что факт их существования не являлся ошеломляющим даже в XX веке. Сомнения были обусловлены недостаточным количеством надежных доказательств того, что поля живут своей собственной жизнью. В своих комментариях к рис. 8.2 я отметил удобство полей. Однако это еще не говорит о том, что они являются необходимыми составляющими абсолютной реальности.

Я не думаю, что Эйнштейн когда-либо был уверен в существовании электромагнитного эфира. Одной из его наиболее сильных сторон как физика-теоретика, которая также могла быть его слабостью, являлось упрямство. Упрямство сослужило ему хорошую службу, когда он настоял на разрешении противоречия между двумя теориями относительности, механической и электромагнитной, в пользу последней. Оно также пригодилось ему, когда он настоял на том, что идеи Планка следует воспринять серьезно и разработать их, несмотря на то, что они противоречили существующей теории. Упрямство Эйнштейна помогло ему справиться со сложной и незнакомой математикой, необходимой для общей теории относительности. С другой стороны, оно помешало ему стать частью грандиозного успеха современной квантовой теории после 1924 года, когда в игру вступили неопределенность и индетерминизм. Оно также не позволило ему принять одно из самых впечатляющих следствий его собственной общей теории относительности — существование черных дыр.

Затруднения Эйнштейна, связанные с примирением квантовой дискретности фотонов с непрерывными полями, заполняющими пространство, которые со времен Максвелла с большим успехом использовались для описания света, преодолеваются в современной концепции квантовых полей. Квантовые поля заполняют все пространство, а квантовые электрические и магнитные поля подчиняются уравнениям Максвелла[26]. Тем не менее, наблюдая квантовое поле, вы обнаруживаете, что его энергия упакована в дискретные единицы — фотоны. В следующей главе я гораздо подробнее расскажу о странных, но очень успешных концепциях, лежащих в основе квантовой теории поля.

Что касается Фейнмана, то он сдался, когда в процессе разработки математического аппарата для своей версии квантовой электродинамики обнаружил, что введенные для удобства поля живут своей собственной жизнью. Он сказал мне, что утратил уверенность относительно своей программы по опустошению пространства, когда увидел, что и его математический аппарат, и экспериментальные факты требуют введения своего рода поляризации вакуума в электромагнитные процессы, изображенные на рис. 8.3 (так как их описал Фейнман с помощью своих диаграмм). Часть а соответствует сложному способу обобщения той же физики, которую мы видели на рис. 8.2. Часть б добавляет нечто новое. Здесь электромагнитное поле модифицируется благодаря взаимодействию со спонтанной флуктуацией в электроне, или, иными словами, взаимодействию с виртуальной парой «электрон — позитрон». При описании этого процесса очень сложно избежать ссылок на заполняющие пространство поля.

^{Рис. 8.3. Сила, действующая между электрически заряженными частицами: а — краткое изложение физики, представленной на рис. 8.2, на языке диаграмм Фейнмана. На этом уровне электрические и магнитные поля задаются уравнениями Максвелла; однако их также можно проследить до воздействия заряженных частиц. Поля удобны, но, вероятно, мы могли бы обойтись и без них; б — дает кое-что новое. Этот вклад в электромагнитные поля определяется спонтанными флуктуациями (виртуальными парами «частица — античастица») в электронном поле}

Данная виртуальная пара является следствием спонтанного поведения электронного поля. Это может произойти в любом месте. И где бы оно ни произошло, электромагнитное поле может его ощутить. Эти два события — флуктуации, которые могут происходить и ощущаться где угодно, — совершенно непосредственно отражаются в математических выражениях, сопровождающих рис. 8.3, б. Они приводят к сложным, небольшим, но очень специфичным модификациям силы, которую вы вычислили бы с помощью уравнений Максвелла. Эти модификации наблюдались в ходе проведения точных экспериментов.

В КЭД поляризация вакуума представляет собой небольшой эффект, как качественно, так и количественно. В КХД, напротив, она имеет первостепенное значение. В главе 6 мы видели, как это приводит к асимптотической свободе и тем самым позволяет успешно описывать образование струй. В следующей главе мы увидим, как КХД используется для вычисления массы протонов и других адронов. Наши глаза не способны различать крошечные временные промежутки (10^–24 секунды) и расстояния (10^–14 сантиметра), где разворачивается основное действие. Однако мы можем проанализировать компьютерные расчеты, чтобы понять, что происходит с кварковыми и глюонными полями. Для более чувствительных глаз пространство было бы похоже на ультрастробоскопическую микронано-лавовую лампу (рис. 8.4). Существа с такими глазами не разделяли бы человеческую иллюзию относительно пустоты пространства.

^{Рис. 8.4. Глубинная структура квантовой Сетки. Это типичная картина флуктуаций в глюонных полях КХД. Такие картины лежат в основе нашего успешного способа вычисления масс адронов, поэтому мы можем быть уверены в том, что они соответствуют действительности}

Помимо флуктуационной активности квантовых полей пространство заполнено несколькими слоями более постоянного, существенного материала. Это эфиры, в чем-то близкие по духу первоначальному эфиру Аристотеля и Декарта, — они представляют собой материалы, которые заполняют пространство. В некоторых случаях мы можем определить, из чего они состоят, и даже создать их небольшие образцы.

Физики обычно называют эти материальные эфиры конденсатами. Можно сказать, что они (эфиры, а не физики) конденсируются спонтанно из пустого пространства, как утренняя роса или обволакивающий туман конденсируются из влажного, невидимого воздуха.

Лучше всего эти конденсаты можно понять в качестве состоящих из пар «кварк — антикварк». Здесь мы говорим о реальных частицах, а не об эфемерных, виртуальных, которые спонтанно возникают и исчезают. Обычно этот заполняющий пространство туман из кварков и антикварков называется нарушающим хиральную симметрию конденсатом, однако давайте называть его просто QQ−, сокращенно от «кварк — антикварк».

Для кваркового конденсата QQ−, как и для других конденсатов, существует два основных вопроса.

• Почему мы считаем, что он существует?

• Как мы можем удостовериться в его существовании?

Только в случае QQ− мы имеем хорошие ответы на оба вопроса.

Формирование конденсата QQ− обусловлено нестабильностью абсолютно пустого пространства. Предположим, что мы опустошили пространство, удалив конденсат, состоящий из пар «кварк — антикварк», что проще сделать в воображении с помощью уравнений и компьютеров, чем в ходе лабораторных экспериментов. Затем мы вычисляем, что пары «кварк — антикварк» имеют отрицательную совокупную энергию. Затраты энергии на производство этих частиц (mc²) более чем компенсируются энергией, которую можно высвободить из сил притяжения, действующих между ними в формируемых ими небольших «молекулах». (Эти «молекулы» кварк — антикварк называются сигма-мезонами (σ−мезонами).) Таким образом, абсолютно пустое пространство является взрывоопасной средой, готовой взорваться реальными «молекулами», состоящими из кварка и антикварка.

Химические реакции обычно начинаются с некоторых составляющих A, B, а их результатом являются некоторые продукты C, D; поэтому мы пишем:

A + B —> C + D,

а если выделяется энергия, то:

A + B —> C + D + энергия.

Это выражение означает «взрыв». Таким образом, наша реакция представляет собой следующее:

[ничто] —> кварк + антикварк + энергия —

никаких исходных составляющих (кроме пустого пространства) не требуется! К счастью, взрыв самоограничивается. Пары частиц отталкиваются друг от друга, поэтому по мере увеличения их плотности становится все труднее вместить новые частицы. Суммарная стоимость создания новой пары включает в себя дополнительную плату, обусловленную взаимодействием с уже существующими парами. Когда чистой прибыли уже нет, производство останавливается. В результате мы получаем заполняющий пространство кварковый конденсат QQ− в качестве стабильного конечного состояния.

Я надеюсь, вы согласитесь, что это интересная история. Но откуда мы знаем, что она правдива?

Один из ответов состоит в том, что математическим следствием уравнений (уравнений КХД) является наличие множества других способов проверки. Однако, несмотря на совершенную логичность данного ответа и на то, что эти проверки, как мы уже обсуждали, очень подробны и убедительны, — это не наука в лучшем ее виде. Нам нужно, чтобы уравнения имели следствия, которые можно наблюдать в физическом мире.

Второй ответ заключается в том, что мы можем просчитать последствия самого конденсата QQ− и проверить, соответствуют ли они тому, что мы наблюдаем в физическом мире. Говоря конкретнее, мы можем вычислить, способен ли рассматриваемый в качестве материала конденсат QQ− вибрировать и как эти вибрации должны выглядеть. Это похоже на то, чем поклонники «светоносного эфира» когда-то хотели наделить свет — старым добрым материалом, более существенным, чем электромагнитные поля. Вибрации кваркового конденсата QQ− это не видимый свет, однако они описывают нечто совершенно определенное и наблюдаемое, а именно пи-мезоны. Среди адронов пи-мезоны обладают уникальными свойствами. Например, они, безусловно, являются самыми легкими[27] и они никогда четко не вписываются в кварковую модель. Поэтому весьма удовлетворительным, а после глубокого изучения и чрезвычайно убедительным является то, что они возникают совершенно иначе — как вибрации конденсата QQ−.

Третий ответ является наиболее прямым и впечатляющим из всех. Мы начали с рассмотрения мысленного эксперимента по опустошению пространства. Как насчет реализации этой идеи на практике? Такие исследования велись на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (РКТИ) в Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд), и эта работа будет продолжена на ускорителе БАК. Ученые ускоряют два больших набора кварков и глюонов, движущихся в противоположных направлениях, — в виде тяжелых атомных ядер, например, золота или свинца — до очень высокой энергии, а затем сталкивают их. Это не очень хороший способ изучения основных, элементарных взаимодействий кварков и глюонов или поиска признаков новых физических явлений, поскольку одновременно происходит очень много таких столкновений. По сути, вы получаете небольшой, но очень горячий огненный шар. Были зафиксированы температуры свыше 10¹² градусов (по Кельвину, Цельсию или Фаренгейту — на этом уровне вы можете выбрать любую шкалу). Это в миллиард раз горячее поверхности Солнца; такие высокие температуры последний раз достигались в пределах первой секунды после Большого взрыва. При таких температурах конденсат QQ− испаряется — «молекулы» кварк — антикварк, из которых он состоит, распадаются. Таким образом, небольшой объем пространства в течение короткого промежутка времени остается пустым. Затем по мере расширения и охлаждения огненного шара начинается наша реакция формирования пар и высвобождения энергии, и кварковый конденсат QQ− восстанавливается.

Все это произойдет почти наверняка. Тем не менее мы говорим «почти», поскольку то, что мы будем наблюдать, на самом деле будет представлять собой всяческие отходы, появившиеся в процессе охлаждения огненного шара. Рисунок 8.5 представляет собой фотографию того, как это выглядит. Очевидно, что фотография изначально не содержит окружностей и стрелок, указывающих, что отвечает за тот или иной результат. Полученное изображение требует интерпретации. В данном случае интерпретация является делом гораздо более сложным, чем в случае с изображениями внутренностей протонов и струй, которые мы обсуждали в главе 6. На сегодняшний день наиболее точные и полные интерпретации строятся в процессе плавления и переформирования кваркового конденсата QQ−, который мы обсуждали ранее, однако мы еще не достигли устраивающего нас уровня ясности и убедительности. Ученые продолжают работу в плане как экспериментов, так и интерпретации.

^{Рис. 8.5. Конечный результат столкновения тяжелых ионов — миниатюрная версия Большого взрыва}

Для построения следующего уровня понимания конденсата у нас есть надежные косвенные доказательства его существования, но про его состав мы пока можем только гадать. Доказательства берутся из раздела фундаментальной физики, о котором мы до сих пор не упоминали, — из теории так называемого слабого взаимодействия[28]. У нас есть очень успешная теория слабого взаимодействия, которая шествовала от триумфа к триумфу с начала 1970-х годов. Следует отметить, что эта теория предсказала существование, массу и точные свойства W− и Z−бозонов до того, как они были обнаружены экспериментально. Обычно эта теория носит название «стандартной модели» или модели Вайнберга — Глэшоу — Салама, названной так в честь Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама, трех теоретиков, которые сыграли ведущую роль в ее разработке (за что и получили Нобелевскую премию в 1979 году).

W− и Z−бозоны играют главную роль в стандартной модели. Они удовлетворяют уравнениям, очень похожим на уравнения для глюонов в квантовой хромодинамике. Оба представляют собой симметричные расширения уравнений для фотонов в квантовой электродинамике (то есть уравнений Максвелла). Динамика полей W− и Z−бозонов отвечает за слабые взаимодействия в том же смысле, что и поведение фотонного поля отвечает за электромагнетизм, а цветных глюонных полей — за сильное взаимодействие.

Поразительное сходство между нашими фундаментальными теориями, касающимися на первый взгляд очень разных сил, намекает на возможность синтеза, в котором все они будут рассматриваться в качестве различных сторон некой всеобъемлющей структуры. Их различные симметрии могут быть подсимметриями по отношению к большей мастер-симметрии. Дополнительная симметрия позволяет уравнениям преобразовываться в самих себя большим количеством способов, то есть существует больше способов добиться «отличий без различий». Таким образом, это открывает новые возможности для установления связей между закономерностями, которые раньше казались не связанными между собой. Если наши фундаментальные уравнения описывают частичные закономерности, которые мы можем сделать более симметричными с помощью дополнений, то это наводит на мысль о том, что они на самом деле могут быть гранями более крупной, единой структуры. Антон Чехов говорил:

«Если в начале пьесы на стене висит ружье, то (к концу пьесы) оно должно выстрелить».

Я повесил ружье объединения взаимодействий.

Возвращаясь к стандартной модели: W− и Z−бозоны являются привлекательными ведущими игроками, но они нуждаются в помощи, чтобы сыграть роли, для которых предназначены. Предоставленные сами себе, в соответствии с определяющими их уравнениями, они не имели бы массы, подобно фотону и цветным глюонам. Тем не менее сценарий реальности требует того, чтобы они были тяжелыми. Это подобно тому, как если бы фея Динь-Динь была выбрана на роль Санта-Клауса. Чтобы фея смогла сыграть толстяка, мы должны были бы одеть ее в специальный костюм с тяжелыми накладками.

Физики знают, как провернуть этот трюк, то есть сделать так, чтобы W− и Z−бозоны приобрели массу. Мы так думаем. На самом деле Природа продемонстрировала нам, как это происходит. Моя жена, состоявшийся писатель и прекрасный советчик, дала мне список клишированных слов, которых следует избегать, в том числе: «удивительный», «поразительный», «великолепный», «захватывающий», «экстраординарный», другие вы можете добавить сами. В основном я следую этому совету. Однако я должен сказать, что нахожу то, что собираюсь описать, удивительным, поразительным, великолепным, захватывающим и, да, экстраординарным.

Моделью, с помощью которой Природа демонстрирует нам, как частицы — переносчики взаимодействия становятся тяжелыми, является сверхпроводимость. Внутри сверхпроводников фотоны становятся массивными! Более подробное обсуждение этого вопроса можно найти в приложении Б, здесь описана только основная идея. Фотоны, как мы уже обсуждали, представляют собой движущиеся возмущения в электрических и магнитных полях. В сверхпроводнике электроны активно реагируют на электрические и магнитные поля. Попытки электронов восстановить равновесие настолько энергичны, что они оказывают своего рода сопротивление движению полей. Таким образом, вместо того, чтобы двигаться с обычной скоростью света, внутри сверхпроводника фотоны движутся медленнее. Они как бы приобретают инерцию. При изучении уравнений вы обнаруживаете, что замедленные фотоны внутри сверхпроводника подчиняются тем же уравнениям движения, что и частицы с ненулевой массой.

Если бы вы были существом, обитающим внутри сверхпроводника, то вы бы воспринимали фотон как массивную частицу.

Теперь давайте применим обратную логику. Люди являются существами, наблюдающими в своей естественной среде обитания массивные фотоноподобные частицы — W− и Z−бозоны. Поэтому мы, люди, можем заподозрить, что мы живем внутри сверхпроводника. Разумеется, не того сверхпроводника, который практически без потерь проводит (электрический) заряд, имеющий важность для фотонов, а сверхпроводника для зарядов, имеющих важность для W− и Z−бозонов. Стандартная модель основана на этой идее; и, как мы уже говорили, стандартная модель очень успешно описывает реальность, в которой мы существуем.

Таким образом, мы приходим к мысли о том, что сущность, которую мы называем пустым пространством, представляет собой необычный вид сверхпроводника. Там, где есть сверхпроводимость, должен быть и проводящий материал. Наша необычная сверхпроводимость работает везде. И эта работа требует заполняющего пространство материального эфира.

Большой вопрос: что конкретно представляет собой этот материал? Что в космическом сверхпроводнике играет ту же роль, что и электроны в обычных сверхпроводниках?

К сожалению, это не может быть хорошо понимаемый нами материальный эфир QQ−. На самом деле кварковый конденсат QQ− представляет собой необычный сверхпроводник правильного вида, и он вносит вклад в массы W− и Z−бозонов. Однако в количественном отношении этот вклад примерно в тысячу раз меньше, чем нужно.

Ни одна из известных в настоящее время форм материи не обладает подходящими свойствами. Поэтому мы действительно не знаем, что представляет собой этот новый материальный эфир. Мы знаем, что он называется конденсатом Хиггса в честь Питера Хиггса, шотландского физика, который впервые высказал некоторые из этих идей. Простейшая возможность — по крайней мере, если вы приравниваете простоту к добавлению как можно меньшего количества деталей, — заключается в том, что конденсат Хиггса состоит из одной новой частицы, так называемой частицы Хиггса. Однако космический сверхпроводник может оказаться смесью из нескольких материалов. На самом деле, как говорилось ранее, мы уже знаем, что конденсат QQ− это только малая часть истории. Как мы увидим позже, существуют веские основания полагать, что это целый новый мир частиц, готовый к тому, чтобы его открыли, и что некоторые из этих частиц входят в состав космического сверхпроводника, также известного как конденсат Хиггса.

На первый взгляд, наиболее перспективные теории[29] объединения взаимодействий предсказывают существование всех видов частиц, которые мы еще не наблюдали. Дополнительные конденсаты могли бы спасти положение. Новые конденсаты могут сделать нежелательные частицы очень тяжелыми так же, как конденсат Хиггса делает более тяжелыми W− и Z−бозоны, только в большей степени. Частицы с очень большой массой трудно наблюдать. Чтобы произвести их в качестве реальных частиц, требуется большая энергия, а значит, большие ускорители. Даже их косвенное влияние в качестве виртуальных частиц уменьшается.

Конечно, добавление новых объектов в уравнения только потому, что вы можете оправдать невозможность их наблюдения, являлось бы дешевой спекуляцией. Интересными объединенные теории поля делает то, что они объясняют наблюдаемые нами свойства мира, и, что еще лучше, предсказывают новые. Я говорил вам, что ружье заряжено.

Сущность, которую мы воспринимаем в качестве пустого пространства, представляет собой многослойный, разноцветный сверхпроводник. Какая удивительная, поразительная, великолепная, захватывающая и экстраординарная концепция!

Вот цитата Эйнштейна, которую я приберег. В 1920 году он писал:

Традиционно масса считалась определяющим свойством материи — свойством, которое делает вещество вещественным. Таким образом, недавнее астрономическое открытие того, что Сетка имеет вес, того, что сущность, которую мы воспринимаем в качестве пустого пространства, обладает универсальной, ненулевой плотностью, венчает доказательство ее физической реальности. Несмотря на то что это несколько отходит от главной темы данной книги, я выделю несколько ее страниц на обсуждение природы этого открытия и его космологических последствий, поскольку это является принципиально важным и чрезвычайно интересным[33].

Понятие плотности Сетки, по сути, соответствует космологической постоянной Эйнштейна, которая, в свою очередь, соответствует «темной энергии». Существуют некоторые различия в интерпретации и акцентах, которые я буду объяснять по мере того, как мы будем их касаться, однако все три термина относятся к одному и тому же физическому явлению.

В 1917 году Эйнштейн ввел поправку в уравнения, которые он двумя годами ранее предложил для общей теории относительности. Его мотивацией была космология. Эйнштейн считал, что Вселенная обладает постоянной плотностью, как во времени, так и (в среднем) в пространстве, поэтому он хотел найти решение с этими свойствами. Однако, когда он применил свои изначальные уравнения ко Вселенной в целом, он не смог найти такое решение. Лежащую в основе этого проблему легко понять. Ее предвидел еще Ньютон в 1692 году в знаменитом письме к Ричарду Бентли:

Проще говоря, сила тяжести является универсальной силой притяжения, поэтому она не позволяет вещам существовать по отдельности. Сила тяжести все время старается собрать их вместе. Поэтому неудивительно, что вы не можете найти решение, в котором Вселенная поддерживает постоянную плотность.

Чтобы получить нужное решение, Эйнштейн изменил уравнения. Однако он изменил их очень специфическим способом, который не испортил их лучшую характеристику, а именно, описание гравитации в соответствии со специальной теорией относительности. По сути, существует только один способ это сделать. Эйнштейн назвал добавленный в уравнения для гравитации член «космологическим членом». На самом деле он не предлагал его физической интерпретации, однако современная физика предоставила отличную интерпретацию, о которой мы поговорим далее.

Мотивация Эйнштейна для добавления космологического члена, необходимого для описания статической Вселенной, вскоре устарела, когда в 1920-е годы в основном благодаря работе Эдвина Хаббла появились свидетельства расширения Вселенной. Эйнштейн называл идеи, которые не позволили ему предсказать расширение Вселенной, своим «величайшим промахом». (И это действительно был промах, поскольку созданная им модель Вселенной даже с новыми уравнениями являлась нестабильной. Строго однородная плотность является решением, однако любое малое нарушение однородности со временем увеличивается). Тем не менее выявленная им возможность добавления нового члена в уравнения общей теории относительности без ее ухудшения оказалась пророческой.

Космологический член можно рассматривать двумя способами. Выражения E = mc² и m = Е / с² математически эквивалентны, но они предполагают различные интерпретации. Эйнштейн рассматривал его в качестве модификации закона тяготения. Кроме того, этот член также можно рассматривать как эффект наличия постоянной плотности массы, а также постоянного давления во всем пространстве и во все времена. Поскольку эта масса-плотность и давление повсюду имеют одинаковое значение, они могут рассматриваться в качестве свойства, внутренне присущего самому пространству. Эта точка зрения соответствует концепции Сетки. Если мы примем как данность то, что пространство обладает этими свойствами, и сосредоточимся исключительно на последствиях, связанных с гравитацией, то мы вернемся к воззрению Эйнштейна.

Ключевое отношение, регулирующее физику космологического члена, соотносит его плотность ρ с давлением р, которое он оказывает, используя скорость света с. Для этого уравнения нет стандартного названия, однако оно бы нам не помешало. Я буду называть его хорошо темперированным уравнением, поскольку оно предписывает правильный способ настройки Сетки. Хорошо темперированное уравнение выглядит так:

Откуда оно взялось? Что оно значит?

Хорошо темперированное уравнение выглядит как мутировавший клон второго закона Эйнштейна, m = Е / с²: m превратилось в ρ, а Е — в р, там, правда, еще есть знак «−», однако сходство очевидно. И на самом деле они глубоко связаны между собой.

Второй закон Эйнштейна связывает энергию изолированного тела в состоянии покоя с его массой (см. главу 3 и приложение А). Это является следствием специальной теории относительности, хотя и не сразу очевидным. На самом деле о нем не упоминалось в первой работе Эйнштейна по теории относительности; он написал отдельную заметку об этом позднее.

Хорошо темперированное уравнение также является следствием специальной теории относительности, однако применяемой теперь к однородной заполняющей пространство сущности, а не к изолированному телу. Не сразу становится ясно, как ненулевая плотность Сетки может согласовываться со специальной теорией относительности. Чтобы оценить эту проблему, подумайте о знаменитом сокращении Фицджеральда — Лоренца, которое мы упомянули в главе 6. Наблюдателю, движущемуся с постоянной скоростью, объекты кажутся сжатыми в направлении движения. Таким образом, можно было бы подумать, что движущийся наблюдатель видит более высокую плотность Сетки. Это противоречит буст-симметрии теории относительности, в соответствии с которой для этого наблюдателя должны действовать те же самые физические законы.

Давление, которое сопровождает плотность, согласно хорошо темперированному уравнению дает лазейку. Весы движущегося наблюдателя в соответствии с уравнениями специальной теории относительности регистрируют новую плотность, которая представляет собой смесь прежней плотности и прежнего давления, подобно тому как его часы регистрируют временные интервалы, которые представляют собой смесь прежних временных и прежних пространственных интервалов. Если — и только если — прежняя плотность и прежнее давление связаны именно так, как это предписывается хорошо темперированным уравнением, значения новой плотности (и нового давления) будут равны прежним значениям.

Другое, тесно связанное с вышеописанным, следствие хорошо темперированного уравнения имеет центральное значение для космологии плотности Сетки. В расширяющейся Вселенной плотность материи любого нормального вида будет уменьшаться. Однако плотность хорошо темперированной Сетки остается неизменной! Если вы хотите выполнить небольшое упражнение из начального курса физики и алгебры, вот довольно симпатичное соотношение, связывающее это постоянство плотности непосредственно со вторым законом Эйнштейна. (Если нет, просто пропустите следующий абзац.)

Рассмотрим объем пространства V, заполненный плотностью Сетки ρ. Пусть объем увеличится на δV. Обычно по мере того, как тело расширяется под давлением, оно совершает работу, следовательно, теряет энергию. Однако знак «−» в уравнении для хорошо темперированной Сетки дает нам отрицательное давление р = −ρс². Таким образом, в процессе расширения наша хорошо темперированная Сетка приобретает энергию δV × ρс². Следовательно, согласно второму закону Эйнштейна, ее масса возрастает на δV × ρ. И этого как раз достаточно для заполнения добавившегося объема δV плотностью ρ, что позволяет Сетке поддерживать постоянство ее плотности.

Каждый из описанных ранее компонентов Сетки — разнообразные флуктуирующие квантовые поля, кварковый конденсат QQ−, конденсат Хиггса, конденсат объединения-сохранения (unification-salvaging condensate), пространственно-временное метрическое поле (или конденсат?) — является хорошо уравновешенным. Каждая из этих заполняющих пространство сущностей подчиняется хорошо темперированному уравнению, поскольку все они согласуются с буст-симметрией специальной теории относительности.

Можно отдельно измерить космическую плотность и давление, используя совершенно другие способы. Плотность влияет на искривление пространства, которое астрономы могут измерить, изучая обусловленные этой кривизной искажения в изображениях далеких галактик или используя мощную новую технику, связанную с изучением космического микроволнового фонового излучения. C помощью новой техники к 2001 году нескольким группам удалось доказать, что во Вселенной содержится намного больше массы, чем может быть приписано только обычной материи. Около 70 % от общей массы, по-видимому, очень равномерно распределено в пространстве и во времени.

Давление влияет на скорость расширения Вселенной. Эта скорость может быть измерена путем изучения далеких сверхновых. Их яркость говорит, как далеко они находятся, а красное смещение их спектральных линий сообщает, насколько быстро они удаляются от нас. Поскольку скорость света конечна, наблюдая дальние сверхновые, мы видим их прошлое. Таким образом, мы можем использовать сверхновые, чтобы восстановить историю расширения Вселенной. В 1998 году две команды наблюдателей-энтузиастов сообщили, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Это было большой неожиданностью, поскольку обычное гравитационное притяжение имеет тенденцию сдерживать расширение. Обнаруживались некоторые новые эффекты. Простейшим объяснением является универсальное отрицательное давление, способствующее расширению.

Термин «темная энергия» стал обобщающим для обоих этих открытий — дополнительной массы и ускоряющегося расширения. Он не должен был предусматривать точных относительных значений плотности и давления. Если бы мы просто назвали оба этих значения космологическим членом, это бы означало, что мы предугадываем их относительные величины. Однако, по-видимому, мы бы оказались правы. Две очень разные величины — космическая плотность массы и космическое давление, наблюдаемые разными способами, — действительно кажутся связанными соотношением ρ = −р / с².

Является ли астрономическое открытие того, что пространство имеет вес и, по-видимому, подчиняется хорошо темперированному уравнению, блестящим подтверждением существования глубинных структур, на основе которых мы строим наши лучшие картины мира? И да и нет. Если честно, то, наверное, мне следует написать и _да и НЕТ.

Проблема заключается в том, что определенная астрономами суммарная плотность гораздо, гораздо меньше приблизительных значений любого из наших конденсатов. Далее приведены приблизительные значения плотностей в виде кратных тому, что обнаружили астрономы:

• конденсат, состоящий из пар «кварк — антикварк» — 10⁴⁴;

• слабый сверхпроводящий конденсат — 10⁵⁶;

• единый сверхпроводящий конденсат — 10¹¹²;

• квантовые флуктуации без суперсимметрии — ∞;

• квантовые флуктуации с суперсимметрией[34] — 10⁶⁰;

• пространственно-временная метрика —? (В данном случае физика слишком туманна для приблизительных оценок.)

В начале этой главы я перечислил ключевые свойства Сетки — материала, который лежит в основе физической реальности:

• Сетка заполняет пространство и время;

• каждый фрагмент Сетки — каждый элемент пространства-времени — имеет те же основные свойства, что и любой другой фрагмент;

• Сетка оживлена квантовыми процессами. Квантовые процессы обладают особыми характеристиками. Они спонтанны и непредсказуемы. И для их наблюдения необходимо обеспечить возмущение;

• Сетка также содержит прочные материальные компоненты. Космос представляет собой многослойный, многоцветный сверхпроводник.

• Сетка содержит метрическое поле, которое обусловливает пространственно-временную жесткость и гравитацию.

• Сетка имеет вес и универсальную плотность.

Все создается игрой битов.

Джон Уилер обладает даром облекать глубокие идеи в броские фразы. «Черная дыра», вероятно, его самое известное творение, однако моим любимым является выражение «все из бита». В этих трех словах заключен вдохновляющий идеал для теоретической науки. Мы стремимся найти математические структуры, которые отражают реальность настолько полно, что ни один важный аспект не остается неучтенным. Решение уравнений говорит нам о том, что существует и как оно себя ведет. Благодаря достижению такого соответствия мы помещаем реальность в форму, которой можем манипулировать в своем сознании.

Философы-реалисты утверждают, что материя первична, мозг (сознание) состоит из материи, а концепции возникают благодаря работе мозга. Идеалисты утверждают, что концепции являются первичными, сознание является концептуальным механизмом, а концептуальные механизмы создают материю. Согласно доктрине «все из бита», нам не обязательно делать выбор между этими альтернативами. Они обе могут быть истинными одновременно. Они говорят об одном и том же, но на разных языках.

Главный вызов, стоящий перед подходом «все из бита», заключается в нахождении математических структур, которые отражают сознательный опыт и гибкий интеллект, словом, в создании думающих компьютеров. Это еще не достигнуто, и люди до сих пор спорят, возможно ли такое[35].

Наиболее впечатляющее достижение подхода «все из бита» я описал в данной главе. Алгоритмы КХД позволяют нам запрограммировать компьютеры на производство огромного количества протонов, нейтронов и всей пестрой компании сильно взаимодействующих частиц. Вот уж воистину, все из бита!

В качестве бонуса мы получили эффект, выражаемый другим афоризмом Уилера: «масса без массы». Строительными блоками протонов и нейтронов, как показали результаты описанных в главе 6 экспериментов, являются строго безмассовые глюоны и почти безмассовые кварки. (Вес соответствующих кварков, u и d, составляет около 1 % от веса образуемых ими протонов.)

В Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, а также в ряде других центров по всему миру есть специальные комнаты, куда редко заходят люди. Кажется, что в этих комнатах не происходит ничего особенного, там нет никакого видимого движения, только тихий шум вентиляторов, которые поддерживают стабильную температуру и низкий уровень влажности. В этих комнатах работают около 10³⁰ протонов и нейтронов. Они организованы в сотни работающих параллельно компьютеров. Их производительность измеряется терафлопами, что соответствует 10¹² (миллион миллионов) операций в секунду (флопс). Мы позволяем им работать в течение месяцев — 10⁷ секунд. К концу этого периода им удается то, что один протон делает каждые 10^–24 секунды, то есть вычислить, как наилучшим образом следует организовать кварковые и глюонные поля, чтобы они поддерживали стабильность Сетки и обеспечивали устойчивое равновесие.

Почему это так трудно?

Сетка — суровая дама.

Если точнее, то она очень сложна. У нее много настроений, и они часто меняются.

Квантовая механика работает с волновыми функциями, которые представляют собой множество возможных конфигураций полей, а наши классические компьютеры могут обрабатывать только одну конфигурацию за один раз. Для имитации взаимодействия многих конфигураций, которые в квантовом описании присутствуют одновременно, классический компьютер должен делать следующее.

1. Производить вычисления в течение длительного времени для создания этих конфигураций.

2. Хранить их.

3. Соотносить свои старые данные с текущим содержимым.

Когда я был маленьким, мне нравилось собирать и разбирать пластиковые модели ракет. Эти модели не могли доставлять спутники на орбиту, не говоря уже о том, чтобы доставить кого-нибудь на Луну. Однако это были вещи, которые я мог держать в руках и с которыми мог играть, а еще они развивали мое воображение. Они были построены в масштабе, и к ним прилагался маленький пластиковый человечек в том же масштабе, что позволяло мне оценить соотношение размеров, понять разницу между перехватчиком и ракетой-носителем, а также разобраться с некоторыми ключевыми понятиями вроде полезной нагрузки и съемных ступеней. Игрушечные модели могут быть интересными и полезными.

Аналогичным образом, для понимания сложных концепций или уравнений могут пригодиться игрушечные модели. Хорошая игрушечная модель создает некоторое представление о реальной вещи, но является достаточно небольшой, чтобы мы могли охватить ее своим сознанием.

В следующих нескольких абзацах я покажу вам игрушечную модель квантовой реальности. Это очень упрощенная модель, но я считаю, что она достаточно сложна, чтобы передать обширность того, что она представляет. Суть в том, что квантовая реальность является ОЧЕНЬ, ОЧЕНЬ БОЛЬШОЙ[36]. Мы создадим игрушечную модель, которая описывает жизнь спинов всего пяти частиц, и обнаружим, что она заполняет пространство 32 измерений.

Начнем с одной квантовой частицы, которая имеет минимальную величину спина. Мы абстрагируемся от всех остальных ее свойств (то есть игнорируем их). Полученный объект называется квантовым битом или кубитом. (Для экспертов: холодный электрон, захваченный в определенном пространственном состоянии, например, с помощью подходящих электрических полей, по сути, является кубитом.) Спин кубита может быть направлен по-разному. Мы напишем: для состояния, когда спин кубита определенно направлен вверх, и: для состояния, когда спин кубита определенно направлен вниз.

Кубит также может находиться в состояниях, при которых спин направлен в сторону, и именно здесь начинается все самое интересное. Именно здесь, на данном этапе проявляется основная странность квантовой механики.

Состояния, когда спин направлен в сторону, не являются новыми, независимыми. Эти и все другие состояния кубита представляют собой комбинации состояний и , которые у нас уже есть. Например, состояние, при котором спин направлен на восток, выражается так:

.

Состояние, в котором спин определенно указывает на восток, представляет собой смесь из равных частей северного и южного направлений. При измерении спина в горизонтальном направлении вы всегда будете обнаруживать, что он указывает на восток. Однако если вы измеряете спин в вертикальном направлении, вы с равной вероятностью обнаруживаете, что он указывает либо на север, либо на юг. В этом и заключается смысл этого странного уравнения. Если более подробно, то правило для вычисления вероятности обнаружения определенного результата (спин вверх или спин вниз) при измерении спина в вертикальном направлении заключается в возведении в квадрат множителя, который стоит перед этим состоянием. В данном случае, например, число умножает состояние «спин вверх», поэтому вероятность обнаружения состояния «спин вверх» составляет .

Этот пример в миниатюре иллюстрирует компоненты, которые участвуют в описании физической системы, согласно квантовой теории. Состояние системы описывается ее волновой функцией. Вы только что видели волновые функции для трех конкретных состояний. Волновая функция состоит из набора чисел, умножаемых на каждую возможную конфигурацию описываемого объекта. (Это число может быть равно нулю, поэтому, если придираться, мы могли бы написать .) Число, на которое умножается конфигурация, называется амплитудой вероятности для этой конфигурации. Квадрат амплитуды вероятностей соответствует вероятности наблюдения этой конфигурации.

А как насчет состояния, при котором спин направлен на запад? В силу симметрии это состояние должно иметь равные вероятности для спина вверх и для спина вниз. Однако оно должно отличаться от состояния, при котором спин направлен на восток. Вот как оно выражается:

.

Дополнительный знак «−» не влияет на вероятность, поскольку мы возводим число в квадрат. Для восточного и западного направления вероятности одинаковы, однако амплитуды вероятности различны. (Далее мы увидим, к каким последствиям на самом деле приводит знак «−», когда мы будем рассматривать несколько спинов сразу.)

Теперь давайте рассмотрим два кубита. Чтобы получить состояние, при котором оба спина направлены на восток, мы умножаем две копии состояния «спин на восток» и находим:

.

Вероятность наблюдения состояния, при котором оба спина направлены вверх, равна (1/2)² = 1/4, как и вероятность состояния «первый спин вверх», «второй спин вниз» и т. д. Аналогичным образом, когда оба спина направлены на запад, мы получаем:

.

Опять же все вероятности обнаружения спинов, направленных вверх и вниз, равны.

Используя только эти два кубита, мы обнаруживаем поистине странное поведение (выражаясь техническим языком, запутанное). Давайте объединим состояние, в котором оба спина направлены на восток, с состоянием, в котором оба направлены на запад. Это можно сделать двумя способами:

(9.1)

(9.2)

В каждом из этих состояний смысл выражений в левой части уравнения заключается в том, что при измерении спинов в горизонтальном направлении мы обнаруживаем: либо оба указывают на восток, либо оба указывают на запад. Каждая из этих возможностей реализуется с вероятностью 1/2. Мы никогда не обнаружим, что один спин указывает на восток, а другой — на запад. Поэтому, когда речь идет об измерениях в горизонтальном направлении, эти два состояния выглядят одинаково. Это все равно, как если бы вы знали, что у вас есть пара носков — либо черных, либо белых, но при этом вы бы не знали, какого именно они цвета. В этом заключается смысл выражений в левой части этих уравнений.

Выражения в правой части сообщают вам, что произойдет, если вы измерите в этих же состояниях оба спина в вертикальном направлении. В этом случае результаты будут совершенно другими. В первом состоянии оба спина будут направлены либо вверх, либо вниз; каждая из этих возможностей может реализоваться с вероятностью 1/2. Второе состояние в рассмотренном выше случае выглядело так же, как первое. Теперь, с другой точки зрения, оно максимально отличается от первого. Во втором состоянии вы никогда не обнаружите, что спины указывают в одном и том же вертикальном направлении: если один направлен вверх, то другой направлен вниз.

Любое из этих состояний вызвало бы недовольство Эйнштейна, Подольского и Розена, поскольку те демонстрируют суть знаменитого ЭПР-парадокса. Измерение спина первого кубита говорит вам о результате, который вы получите, измерив спин второго кубита, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. На первый взгляд кажется, что это «жуткое действие на расстоянии», как его называл Эйнштейн, способно передавать информацию (то есть сообщить второму спину, куда он должен указывать) со скоростью, превышающей скорость света. Однако это иллюзия, поскольку для того, чтобы два кубита пришли в некоторое конечное состояние, изначально они должны находиться очень близко друг к другу. Позднее мы можем поместить их далеко друг от друга, однако если кубиты не могут двигаться быстрее скорости света, то этого не может и сообщение, переносчиками которого они являются.

В более общем смысле для конструирования всех возможных состояний двух кубитов мы суммируем четыре возможности , каждая из которых умножается на отдельное число. Это определяет четырехмерное пространство, в котором вы можете передвигаться в четырех различных направлениях.

Описание возможных состояний пяти кубитов подразумевает выбор между вариантами направления вверх и вниз для каждого из них (например, или ). Существует 2 × 2 × × 2 × 2 × 2 = 32 вероятности, а общее состояние может состоять из вкладов всех состояний, каждый из которых умножается на некоторое число. Вот откуда у нас появляется игрушечная 32-мерная модель. Ничего себе игрушка!

Шедевр Пьера-Симона Лапласа, пятитомное сочинение «Небесная механика», выходил отдельными выпусками в период с 1799 по 1825 год. Оно перевело математическую астрономию, основанную на ньютоновских принципах, на качественно новый уровень элегантности и точности. Лаплас был настолько впечатлен точностью, с которой он мог вычислить движение небесных тел, что он попытался представить возможности демона, обладающего всей информацией. Он решил, что с помощью вычислений его демон мог бы предсказать будущее или реконструировать прошлое:

Хорошо информированные, современные вычислительные демоны знают, что они не могут просто вычислить все, как демон Лапласа. Их искусство заключается в том, чтобы обнаруживать аспекты реальности, которые им поддаются. К счастью, случай, неопределенность и хаос не поражают все аспекты Природы. Многие вещи, в расчете которых мы больше всего заинтересованы, вроде формы молекулы, которую мы могли бы использовать в качестве лекарственного средства, прочности материала, из которого мы могли бы построить самолет, или массы протона, представляют собой устойчивые аспекты реальности. Кроме того, эти системы можно рассматривать изолированно; их свойства не сильно зависят от состояния мира в целом[38]. Для демонов-вычислителей стабильные изолированные системы являются естественными объектами, детальные портреты которых они могут создать.

Итак, полностью осведомленные о трудностях, но неустрашенные герои физики, собравшись с силами, подают заявки на гранты, покупают кластеры компьютеров, паяют, программируют, отлаживают, даже думают — делают все, что нужно, чтобы вырвать у Сетки ответы.

Как мы вычисляем портрет протона?

Во-первых, мы должны заменить непрерывное пространство и время конечной структурой — решеткой из точек, которую способен обработать компьютер. Разумеется, это приближение, однако при достаточно малом расстоянии между точками ошибки также будут небольшими. Во-вторых, мы должны «втиснуть» ОЧЕНЬ, ОЧЕНЬ БОЛЬШУЮ квантовую реальность в классическую вычислительную машину. Квантово-механическое состояние Сетки существует в огромном пространстве, где его волновая функция охватывает множество возможных вариантов активности. Однако компьютер может манипулировать только несколькими вариантами одновременно. Поскольку уравнения для эволюции какого-либо из вариантов затрагивают все остальные варианты, классический компьютер должен хранить в памяти обширную библиотеку вариантов вместе с соответствующими амплитудами вероятности. Для развития текущего варианта компьютер шаг за шагом извлекает соответствующую информацию о старых вариантах. Для каждого сохраненного варианта он вычисляет изменения. Наконец, он сохраняет обновленную амплитуду вероятности для текущего варианта, приступает к развитию следующего и повторяет этот цикл снова и снова. Сетка — суровая дама.

Наши глаза не приспособлены для разрешения расстояний порядка 10^–14 сантиметров, а наш мозг не воспринимает временные промежутки порядка 10^–24 секунд. Эти возможности не помогли бы нам спастись от хищников или найти брачных партнеров. Однако в результате просчета конфигураций Сетки наши компьютеры создают узоры, которые мы бы увидели, если бы наши глаза были способны воспринимать крошечные отрезки расстояния и времени. С помощью этих узоров мы можем заострить свое зрение. Именно это позволяет нам создать схему, изображенную на рис. 8.3.

После того как мы заставили «пустое» пространство «загудеть», мы можем его «пощипать». То есть обеспечить возмущение Сетки, добавив некоторую дополнительную активность, а затем позволить восстановиться покою. Если мы найдем стабильные, локализованные концентрации энергии, то это будет означать, что мы обнаружили — то есть вычислили — стабильные частицы. Мы можем сопоставить их (если эта теории правильна!) с протонами р, нейтронами n и т. д. Если мы находим локализованные концентрации энергии, которые сохраняются в течение довольно долгого времени, прежде чем рассеяться, это будет означать, что мы обнаружили нестабильные частицы. Они должны соответствовать ρ−мезонам (ро-мезонам), Δ−барионам (дельта-барионам) и их сородичам.

В этом состоит наше глубочайшее понимание того, что собой представляют р, n, ρ, Δ и другие частицы.

На рис. 9.1 показана конкретная задача, которая стоит перед нами. Это часть спектра адронов, то есть сильно взаимодействующих частиц, которые мы наблюдали. Они сопровождаются значениями двух ключевых определяющих свойств: массы и спина. Надпись содержит техническое описание изображенных объектов. Эти данные (а есть еще намного больше!) могут быть понятны специалистам, однако смысл в том, что существует множество интересных фактов, которые теории предстоит объяснить.

Далее, на рис. 9.2 показано, как три массы из измеренных используются для определения параметров теории. То есть до выполнения расчетов мы не знаем, какие массы мы должны присвоить кваркам или совокупной константе связи. Наиболее точным способом определения этих значений является сам расчет. Поэтому мы пробуем разные значения и останавливаемся на тех, которые лучше всего соответствуют наблюдениям.

^{Рис. 9.1. Перечень сильно взаимодействующих частиц, которые должны учитываться КХД. Каждая точка соответствует наблюдаемой частице. Высота точки показывает массу частиц. Первые два столбца — это мезоны со спином 0: π, K и спином 1: ρ, K*, φ. Третий и четвертый столбцы — это барионы со спином 1/2: N, K; и спином 2/3: Δ, Ω соответственно. Пятый и шестой столбцы — это мезоны чармоний и боттомоний с различными спинами. Эти мезоны интерпретируются как связанные состояния тяжелого (очарованного) кварка с и его антикварка или соответственно (нижнего) кварка b и его антикварка. В этих столбцах высоты представляют собой массовые различия между частицей, о которой идет речь, и легчайшим состоянием чармония или боттомония}

^{Рис. 9.2. Три массы используются для определения свободных параметров КХД. Таким образом, мы подгоняем, а не прогнозируем эти три массы. Однако после того, как мы это сделали, у нас больше нет места для маневра}

Если теория имеет много параметров, вы регулируете их значения так, чтобы вместить как можно больше данных, таким образом, ваша теория не прогнозирует эти значения, а просто приспосабливает их. Для описания подобной деятельности ученые используют такие термины, как «аппроксимация кривой» и «подгоночные параметры». Эти фразы не являются лестными. С другой стороны, если теория включает лишь несколько параметров, но применяется к большому количеству данных, то она является очень мощной. Вы можете использовать небольшое подмножество измерений для определения параметров; в этом случае все остальные измерения будут предсказаны.

В этом объективном смысле КХД является очень мощной теорией. Мало того, что она не требует большого количества параметров, она их не допускает: только масса для каждого вида кварков и одна универсальная константа связи. Кроме того, большинство масс кварков не имеют значения для вычисления массы представленных на рисунке частиц с доступной нам степенью точности: другие эффекты вносят большую неопределенность. Нам нужна только средняя масса m_light самых легких кварков u и d, масса m_s странного кварка и константа связи. После фиксации этих трех параметров у нас больше не будет возможностей для маневра. Надстроечные параметры отсутствуют, никакие оправдания не помогут, спрятаться негде. Если теория верна, то расчет будет соответствовать реальности. Если расчет не соответствует реальности, теория неверна.

На рис. 9.3 показано, как расчетные значения массы и спина — недвусмысленные предсказания КХД — соотносятся с наблюдаемыми значениями. Поскольку спин является дискретной величиной, мы имеем либо точное соответствие, либо разногласие. Таким образом, лучше бы мы обнаружили частицы с точно предсказанными спинами и приблизительно предсказанными массами. Со вздохом облегчения отмечаем, что возле каждого «реального» квадрата есть либо «вычисленный» круг, либо «фиксированный параметр» — ромб. Вы видите, что расчетные массы достаточно хорошо согласуются с наблюдаемыми значениями. Вокруг расчетных значений вы заметите вертикальные отрезки, соответствующие величине погрешности. Они отражают остаточные неопределенности в расчетах. Пришлось пойти на некоторые компромиссы и приближения в связи с конечной — хотя и фантастически большой — вычислительной мощностью компьютера, которая была доступна.

Важным моментом на этом рисунке является точка с надписью N. N означает нуклон, то есть протон или нейтрон. (В масштабе данного рисунка их массы неразличимы.) КХД успешно определяет массы протонов и нейтронов, исходя из первых принципов. В свою очередь, масса в протонах и нейтронах составляет большую часть массы материи. Я обещал объяснить происхождение 95 % массы. Вот оно.

^{Рис. 9.3. Успешное сравнение наблюдаемых и предсказанных значений спина и массы частиц}

Примечательным также является то, чего компьютер не выдает. Нет дополнительных кругов, соответствующих спрогнозированным частицам, которые в результате не были обнаружены. Особо следует подчеркнуть то, что, хотя основными входными данными для расчета являются кварки и глюоны, они не присутствуют среди выходных данных! Принцип конфайнмента, который казался таким странным и отчаянным, здесь играет роль примечания к полному и всеобъемлющему соответствию реальности.

Конечно, вычислять — или использовать для этого гигантский сверхбыстрый компьютер — не значит понимать. Понимание — это задача следующей главы.

Тем не менее, прежде чем закончить эту главу, я хотел бы остановиться на неброском рис. 9.3 и отдать должное группе его авторов. С помощью сложных расчетов, требующих строжайшей точности и всей мощи современных компьютерных технологий, они показали, что непреклонные уравнения высокой симметрии убедительно и в количественном отношении точно объясняют существование протонов и нейтронов, а также их свойства. Они продемонстрировали происхождение массы протона и, таким образом, происхождение львиной доли нашей массы. Я считаю это одним из величайших научных достижений всех времен.

Умение что-то вычислить не равнозначно пониманию. Компьютерные вычисления происхождения массы могут быть убедительными, но этого мало. К счастью, мы можем понять происхождение массы.

Ответы, полученные в результате трудоемких и непрозрачных компьютерных вычислений, не удовлетворяют нашу жажду понимания. А что могло бы ее удовлетворить?

Поль Дирак славился своей молчаливостью, но то, что он говорил, часто обладало глубоким смыслом. Однажды он сказал: «Я чувствую, что понимаю уравнение, когда я могу предвидеть поведение его решений, не решая его».

В чем ценность такого понимания?

«Решение» уравнений — это лишь один из инструментов работы с ними, и не самый совершенный. Расчеты, которые мы обсуждали в предыдущей главе, являются поучительным примером. Они убедительно показывают, что уравнения для кварковой и глюонной Сетки точно учитывают массы протонов, нейтронов и других адронов. Они также показывают, что эти уравнения скрывают кварки и глюоны. (Вы можете использовать невозможность существования изолированных кварков или глюонов для вычисления их массы, когда вы учитываете их облака виртуальных частиц — ответом является бесконечность!)

Те славные результаты были достигнуты благодаря героическим усилиям человека и машины. Однако потребность в героизме является одним из самых больших недостатков подхода, подразумевающего «решение» уравнений. Мы не хотим тратить дорогие ресурсы компьютера и долго ждать ответа каждый раз, когда задаем немного другой вопрос. Что еще важнее, мы не хотим тратить дорогие ресурсы компьютера и очень долго ждать ответа, когда мы задаем более сложные вопросы. Например, мы бы хотели иметь возможность предсказывать массы не только отдельных протонов и нейтронов, но и систем, содержащих несколько протонов и нейтронов — атомных ядер. В принципе, у нас есть для этого уравнения, но их решение является нецелесообразным. Мы имеем адекватные уравнения для ответа на любой вопрос химии. Однако от этого химики не лишились работы и не были заменены компьютерами, поскольку эти расчеты слишком сложны.

В случае как ядерной физики, так и химии мы готовы пожертвовать чрезвычайной точностью ради простоты использования и гибкости. Вместо того чтобы «решать» уравнения, перемалывая числа, мы создаем упрощенные модели и выводим эмпирические правила, которые могут предоставить нам практическое руководство в сложных ситуациях. Эти модели и эмпирические правила могут вырасти из опыта решения уравнений, и их можно проверить путем решения уравнений, когда это целесообразно, однако они живут своей собственной жизнью. Это напоминает мне о различии между аспирантами и профессорами: аспирант знает все ни о чем, а профессор ничего не знает обо всем. Решение уравнений — это удел аспирантов, понимание — удел профессоров.

Мы бываем бесконечно далеки от понимания, когда при решении уравнений обнаруживаем поведение, которое является совершенно неожиданным и похожим на чудо. Компьютеры дали нам массу — и не просто массу, а нашу массу, массу составляющих нас протонов и нейтронов — из кварков и глюонов, которые сами по себе массы не имеют (или почти не имеют). В результате решения уравнений КХД получается масса без массы. Это звучит подозрительно, как нечто из ничего. Как это случилось?

К счастью, мы можем получить приблизительное понимание этого кажущегося чуда. Для этого нам требуется собрать вместе три идеи, которые мы уже обсуждали по отдельности. Давайте освежим их в памяти.

Цветной заряд кварка обеспечивает возмущение Сетки — конкретно в глюонных полях, — которое растет с увеличением расстояния. Это похоже на странное облако, которое распускается из прозрачного центра, превращаясь в зловещую грозовую тучу. Возмущение полей означает их перевод в состояние более высокой энергии. Для возмущения полей в бесконечном объеме требуется бесконечная энергия. Думаю, даже Exxon Mobil не будет утверждать, что у Природы достаточно ресурсов, чтобы заплатить такую цену[39]. Таким образом, кварки не могут существовать в свободном состоянии.

Цветущую бурю можно прекратить, поместив рядом с кварком антикварк с противоположным цветным зарядом. В этом случае два источника возмущения нейтрализуют друг друга и покой восстановится.

Если бы антикварк был расположен точно над кварком, компенсация была бы полной. При этом произошло бы минимально возможное возмущение в глюонных полях, то есть никакого. Однако у такой точной компенсации есть еще одна цена, обусловленная квантово-механической природой кварков и антикварков.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, если вы хотите иметь точное знание о положении частицы, вам необходимо допустить широкий разброс в значении ее импульса. В частности, вы должны допустить, что частица может иметь большой импульс. Но большой импульс означает большую энергию. И чем более точно вы зафиксируете положение частицы (локализуете ее, выражаясь научными терминами), тем больше энергии вам придется на это потратить.

(Цветной заряд кварка также можно нейтрализовать, используя дополнительные цветные заряды двух других кварков. Это то, что происходит с барионами, в том числе с протоном и нейтроном, в отличие от мезонов, основанных на паре «кварк — антикварк». Принцип остается тем же.)

Итак, есть два конкурирующих эффекта, которые работают в противоположных направлениях. Чтобы точно погасить полевое возмущение и минимизировать затраты энергии, Природа хочет поместить антикварк над кварком. Однако, чтобы минимизировать квантово-механическую стоимость локализации положения, Природа позволяет антикварку немного «побродить».

Природа идет на компромиссы. Она находит возможность сбалансировать потребности глюонных полей, которые не хотят, чтобы их беспокоили, с потребностями кварков и антикварков, которые хотят свободно перемещаться. (Можно подумать о семье, где глюонные поля — это старые зануды, кварки и антикварки — раздражающие дети, а Природа — ответственный взрослый.)

Как и в случае любого компромисса, результатом является… компромисс. Природа не может одновременно сделать обе энергии равными нулю. Таким образом, суммарная энергия не будет равна нулю.

На самом деле, могут существовать различные компромиссы, которые являются более или менее стабильными. Каждый из них будет иметь свою собственную ненулевую энергию Е. Таким образом, согласно второму закону Эйнштейна каждый будет иметь свою собственную массу, m = Е / с².

Это и есть источник массы. (Или по крайней мере 95 % массы обычной материи.)

Такая кульминация заслуживает комментария. На самом деле она заслуживает схолии, что на латыни означает «комментарий», но звучит более впечатляюще.

1. Ничто в настоящем отчете о возникновении массы не указывает на наличие массы у кварков и глюонов и не зависит от него. Мы действительно получаем массу без массы.

2. Это бы не сработало без квантовой механики. Вы не можете понять, откуда берется ваша масса, если не будете принимать во внимание квантовую механику. Другими словами, без квантовой механики вы обречены быть невесомыми.

3. Аналогичный механизм, хотя и гораздо более простой, работает в атомах. Отрицательно заряженные электроны испытывают притяжение к положительно заряженному ядру. Они хотели бы прижаться к этому ядру. Однако электроны представляют собой «волны-частицы», что их и сдерживает. Результат опять-таки представляет собой ряд возможных компромиссных решений. Это то, что мы наблюдаем как энергетические уровни атома.

4. Названием первой статьи Эйнштейна был вопрос и одновременно вызов:

Если под телом подразумевается человеческое тело, масса которого неимоверно возрастает за счет содержащихся в нем протонов и нейтронов, ответ ясен и однозначен. Инерция этого тела с точностью 95 % представляет собой содержащуюся в нем энергию.

Наши лучшие теории физического мира кажутся запутанными и сложными в силу их глубокой простоты.

Часто цитируемый совет Эйнштейна гласит: «Сделайте все так просто, как только возможно, но не проще». После изучения общей теории относительности Эйнштейна или его теории флуктуаций в статистической механике — двух наиболее сложных его творений — вы можете усомниться в том, что он следовал своему собственному совету.

Конечно, эти теории не являются простыми в обычном смысле этого слова.

Современные физики считают квантовую хромодинамику почти идеально простой теорией, однако мы уже видели, насколько сложно описать квантовую хромодинамику обывательским языком и насколько сложно работать с этой теорией (а не решать ее).

Подобно глубокой истине Бора, глубокая простота содержит элемент своей противоположности — глубокой сложности. Это парадокс, который на глубинном уровне разрешается довольно просто, как мы увидим далее.

Я узнал, что такое совершенство, благодаря печально известному посредственному композитору Антонио Сальери[41]. В одной из моих любимых сцен одного из моих любимых фильмов под названием «Амадей» Сальери в изумлении смотрит в рукописи Моцарта и говорит: «Переставишь одну ноту и получишь диссонанс. Переставишь одну фразу, и все рассыплется».

В этой фразе Сальери ухватил сущность совершенства. Два его предложения точно определяют то, что мы подразумеваем под совершенством во многих контекстах, в том числе в теоретической физике. Можно сказать, что это определение идеально.

Теорию можно назвать идеальной, если любое изменение приводит к ее ухудшению. Это первое предложение Сальери, переведенное с языка музыки на язык физики. И оно попадает прямо в точку. Однако настоящая гениальность проявляется во втором предложении Сальери. Теория становится совершенно идеальной, если нельзя значительно ее изменить, не разрушив ее полностью; то есть если в результате значительного изменения теория теряет смысл.

В том же фильме император Иосиф II дает Моцарту такой музыкальный совет: «Ваша работа гениальна. Это очень качественное произведение. В нем просто слишком много нот, только и всего. Уберите несколько, и оно будет совершенным». Император был смущен внешней сложностью музыки Моцарта. Он не осознавал, что каждая нота служила определенной цели — давала или выполняла обещание; завершала рисунок или разнообразила его.

Аналогичным образом при первом знакомстве с фундаментальной физикой многих людей отпугивает ее видимая сложность. Слишком много глюонов!

Однако каждый из восьми цветных глюонов служит определенной цели. Вместе они обеспечивают полную симметрию между цветными зарядами. Уберите один глюон или измените его свойства каким-либо образом, и структура рухнет. В частности, если вы внесете подобное изменение, то теория, ранее известная как КХД, начнет выдавать бессмысленные предсказания: некоторые частицы будут производиться с отрицательными вероятностями, а другие — с вероятностью, превышающей единицу. Такая абсолютно жесткая теория, не допускающая последовательных модификаций, является крайне уязвимой. Если какое-либо из ее предсказаний окажется ошибочным, то спрятаться будет негде. Нет никаких подгоночных параметров. С другой стороны, совершенно жесткая теория, если она оказывается достаточно успешной, становится поистине мощной. Поскольку если она предположительно правильна и не может быть изменена, то она наверняка совершенно правильна!

Критерии Сальери объясняют, почему симметрия является таким привлекательным принципом при построении теории. Системы, обладающие симметрией, имеют все шансы на то, чтобы считаться совершенными, согласно идее Сальери. Уравнения, регулирующие различные объекты и различные ситуации, должны быть строго связаны между собой, в противном случае симметрия уменьшится. При определенном количестве нарушений вся модель разрушается и симметрия пропадает. Симметрия помогает нам создавать совершенные теории.

Таким образом, суть вопроса заключается не в количестве нот, частиц или уравнений, а в совершенстве воплощенной в них структуры. Если удаление любой из составляющих может привести к разрушению этой структуры, то их количество ровно таково, каково и должно быть. Ответ Моцарта императору был превосходным: «Какие именно несколько нот вы имеете в виду, Ваше Величество?»

Один из вернейших способов избежать совершенства заключается в добавлении ненужных сложностей. Ненужные сложности можно переместить без ухудшения структуры и удалить без ее разрушения. Кроме того, они отвлекают внимание, как в следующей истории про Шерлока Холмса и доктора Ватсона.

Шерлок Холмс и доктор Ватсон отправились в поход. Установив палатку под звездным небом, они легли спать. Посреди ночи Холмс разбудил Ватсона и спросил его: «Ватсон, посмотрите на звезды! Что они говорят нам?»

А Холмс сказал: «Ватсон, эти звезды говорят нам о том, что кто-то украл нашу палатку».

Сжатие данных является центральной проблемой в сфере коммуникационных и информационных технологий. Я думаю, что это позволяет нам по-новому взглянуть на значение и важность простоты в науке.

При передаче информации мы хотим извлечь максимум из доступной пропускной способности. Таким образом, мы сокращаем сообщение, удаляя из него избыточную или несущественную информацию. Такие аббревиатуры, как MP3 и JPEG, знакомы пользователям плееров и цифровых камер; MP3 — это формат сжатия аудио, а JPEG — формат сжатия изображений. Разумеется, приемник на другом конце должен принять сжатые данные и распаковать их, чтобы воспроизвести первоначальное сообщение. Подобные проблемы возникают и при хранении информации. Нам нужно, чтобы данные хранились в компактном виде, но были доступны для распаковки.

В более широкой перспективе многие из проблем, с которыми сталкиваются люди при осмыслении мира, являются проблемами сжатия данных. Информация о внешнем мире переполняет наши органы чувств. Нам необходимо вместить их в доступную пропускную способность нашего мозга. Мы испытываем слишком много, чтобы сохранять об этом в памяти точную информацию, так называемая фотографическая память является редкой и в лучшем случае ограниченной. Мы создаем рабочие модели и эмпирические правила, которые позволяют нам использовать небольшие представления о мире, достаточно адекватные, чтобы мы могли в нем функционировать. Фраза «Приближается тигр!» сжимает гигабайты оптической информации, а также мегабайты аудио с ревом тигра, а может быть, даже несколько сигналящих об опасности килобайт запаха и ветра, вызываемого его движением, в крошечное сообщение. (Для экспертов: 23 байта в кодировке ASCII.) Большой объем информации был отброшен, однако из того, что есть, мы можем извлечь некоторые очень полезные данные.

Построение очень простых теорий в области физики — это Олимпийские игры[43] в сфере сжатия данных. Цель состоит в нахождении кратчайшего сообщения, в идеале выраженного одним уравнением, которое при распаковке создает подробную и точную модель физического мира. Как и все Олимпийские игры, эта подразумевает свои правила. Вот два наиболее важных:

• за неопределенность снимаются баллы;

• теории, которые дают неправильные предсказания, подлежат дисквалификации.

Почему протоны такие легкие? Поскольку мы понимаем, откуда берется масса протона, мы можем дать красивый ответ на этот вопрос. Этот ответ устраняет главный барьер на пути к единой теории взаимодействий и призывает нас отправиться на поиски такой теории.

Давайте кратко повторим, как протон получил свою массу, стараясь в процессе этого найти то, что обусловливает малую величину этой массы. (Это резюмирует часть главы 10.)

Масса протона возникает как компромисс между двумя конфликтующими эффектами. Цветной заряд, переносимый кварками, возмущает глюонное поле вокруг них. Данное возмущение мало вначале, но возрастает по мере удаления от кварка. Эти возмущения в глюонном поле связаны с затратами энергии. Стабильными будут состояния с наименьшей возможной энергией, поэтому «дорогостоящие» возмущения придется отменить. Возмущение, вызываемое цветным зарядом кварка, может обнулить находящийся поблизости антикварк с противоположным зарядом или — как это происходит в протонах — два дополнительных кварка с дополнительными цветными зарядами. Если бы аннулирующие кварки располагались непосредственно поверх исходного кварка, то не осталось бы никакого возмущения. Это, конечно же, привело бы к (нулевому) возмущению с наименьшей возможной (нулевой) энергией.

Тем не менее квантовая механика предполагает разнообразные энергетические затраты, вынуждающие идти на компромисс. Квантовая механика утверждает, что кварк (или любая другая частица) не имеет определенного положения. Он обладает диапазоном возможных положений, описанным его волновой функцией. Иногда мы говорим не о частицах, а о волнах-частицах, чтобы подчеркнуть этот фундаментальный аспект квантовой теории. Чтобы привести волну-кварк в состояние с малым разбросом положений, мы должны позволить ему иметь большую энергию. Короче говоря, для локализации кварка требуется энергия. Полное ее обнуление, которое мы рассматривали в предыдущем абзаце, потребовало бы того, чтобы обнуляющие кварки имели точно такое же положение, что и исходные кварки. Это не сработает, поскольку энергетическая стоимость локализации является непомерно высокой.

Таким образом, необходим компромисс. В компромиссном решении будет присутствовать некоторая энергия, оставшаяся в результате неполной компенсации возмущения в глюонных полях, а также некоторая энергия, оставшаяся после не совсем полной локализации кварков. Из общего значения Е этих энергий возникает масса протона согласно второму закону Эйнштейна m = Е / с².

В этом описании новейшим и самым сложным элементом является возрастание возмущения в глюонном поле по мере увеличения расстояния. Оно тесно связано с асимптотической свободой, открытие которой недавно принесло троим счастливчикам Нобелевскую премию. Асимптотическая свобода представляет собой небольшой эффект обратной связи от виртуальных частиц, как я уже говорил ранее. Его можно рассматривать как форму «поляризации вакуума», с помощью которой сущность, называемая нами пустым пространством, то есть Сетка, антиэкранирует навязанный заряд. Сетка наносит ответный удар, Сбежавшая Сетка, Сумасшедшая Сетка — все это могло бы лечь в основу фильма ужасов для мыслящего человека.

Однако реальность покорилась. Антиэкранировка нарастает постепенно, особенно вначале. Если исходный (цветной) заряд мал, его влияние на Сетку сначала невелико. Сама Сетка в процессе антиэкранирования наращивает эффективный заряд, так что каждый последующий этап наращивания происходит все быстрее. В конце концов возмущение становится значительным и угрожающим, поэтому должно быть подавлено. Однако это может занять некоторое время, то есть прежде, чем это произойдет, вы можете достаточно сильно удалиться от исходного кварка.

Если возмущение нарастает медленно, то проблема локализации аннулирующих кварков не стоит слишком остро. Нам не обязательно добиваться очень точной локализации. Таким образом, затраты энергии, связанные с возмущением и локализацией, невелики, следовательно, мала и масса протона.

Именно поэтому протоны являются настолько легкими!

Только что приведенное мной объяснение на самом деле ничего не объясняет. Вы не могли меня видеть, но пока я печатал предыдущие абзацы, я размахивал руками, проявляя свою итальянскую натуру. Фейнман был известен подобными туманными аргументами. Однажды он объяснил свою теорию сверхтекучего гелия Паули, используя такие аргументы. Паули, жесткий критик, не был им убежден. Фейнман настаивал на своем, а Паули не поддавался, пока Фейнман с раздражением не спросил: «Ты же не считаешь, что все сказанное мной неправильно?» На что Паули ответил: «Я считаю, что все, что ты сказал, не является даже неправильным».

Чтобы наше объяснение могло быть неправильным, мы должны сформулировать его гораздо более конкретно. Когда мы говорим, что протоны являются легкими, что мы подразумеваем под словом «легкий»? Каковы численные значения? Можем ли мы объяснить смехотворную слабость гравитации, которая, как вы помните, имеет фантастически малую величину?

Предположим, у вас есть друг в галактике Андромеды, с которым вы можете связаться только с помощью текстовых сообщений. Как вы передадите ему основные данные о себе — ваш рост, вес и возраст? У вашего друга нет доступа к земным линейкам, весам или часам, поэтому вы не можете просто сказать: «Мой рост равен стольким-то сантиметрам, мой вес составляет столько-то килограммов, и мне столько-то лет». Вам нужны универсальные единицы измерения.

В 1899 и 1900 годах Макс Планк принимал активное участие в исследованиях, которые положили начало квантовой теории. Эти исследования достигли своей кульминации в декабре 1900 года, когда Планк ввел свою знаменитую постоянную h, которая применяется в используемых нами сегодня фундаментальных уравнениях квантовой механики. Незадолго до этого он выступил с обращением к Прусской Королевской академии наук в Берлине, в котором, по сути, поставил вышеописанный вопрос. (Хотя он и не сформулировал его в терминах обмена текстовыми сообщениями.) Он назвал его вызовом, связанным с определением абсолютных величин. В проводимом исследовании Планка интересовало не то, что он мог раскрыть секреты атома, свергнуть классическую логику или пошатнуть основы физики. Все это произошло гораздо позже и с участием других людей. Планка интересовал способ решения проблемы абсолютных величин.

Проблема абсолютных величин может казаться академической, однако она также была близка сердцу философов, мистиков и философски настроенных ученых-мистиков. Манифест постклассической физики XX (и XXI) века был выпущен задолго до Планка, примерно в 600 году до н. э., когда Пифагор Самосский поделился удивительным видением. Изучая звуки, издаваемые струнными щипковыми инструментами, Пифагор обнаружил, что человеческое восприятие гармонии связано с числовыми соотношениями. Он исследовал струны, изготовленные из одного и того же материала, имеющие одинаковую толщину и натяжение, но разную длину. В этих условиях он обнаружил, что звуки воспринимаются как гармоничные именно тогда, когда соотношение длин струн может быть выражено небольшими целыми числами. Например, соотношение длин 2:1 соответствует октаве, 3:2 — квинте, а 4:3 — кварте. Видение Пифагора выражается максимой «все вещи суть числа».

Оглядываясь так далеко в прошлое, трудно быть уверенными в том, что именно имел в виду Пифагор. Вероятно, отчасти его видение представляло собой форму атомизма, основанную на идее о возможности создания форм из чисел. Сегодняшняя терминология квадратов и кубов чисел происходит от этой идеи о создании форм. Наше построение «все из бита» более чем подтверждает идею о том, что «некоторые важные вещи суть числа». В любом случае понимаемое в буквальном смысле изречение Пифагора, безусловно, заходит слишком далеко. Абстрактные числа, например 3, не имеют длины, массы или продолжительности во времени. Сами по себе числа не могут служить физическими единицами измерения — из них нельзя создать линейки, весы или часы.

Планковская проблема абсолютных величин сосредоточена именно на этом вопросе. В наш цифровой век мы привыкли к идее о том, что информация, как она представляется в текстовых сообщениях, может быть закодирована с помощью последовательности чисел (нулей и единиц). Таким образом, Планк, по сути, спрашивал, являются ли числа достаточными если не для построения, то по крайней мере для описания всех физически значимых аспектов материального тела, другими словами, «всего», что о нем можно сказать? То есть можем ли мы передать меры длины, массы и времени, используя только числа?

Планк отметил, что, хотя андромедиане не имеют доступа к нашим линейкам, весам или часам, у них есть доступ к нашим физическим законам, которые соответствуют законам, действующим у них. В частности, они могли бы измерить три универсальные константы:

с — скорость света;

G — гравитационную постоянную Ньютона. В теории Ньютона она представляет собой меру силы гравитации. В законе тяготения Ньютона сила тяготения между телами с массами m₁, m₂, разделенными расстоянием r, равна Gm₁m₂ / r²;

h — постоянную Планка.

(На самом деле Планк использовал величину, несколько отличную от современной константы h, которую он на тот момент еще не вывел.)

Из этих трех величин путем деления и возведения в степень можно получить единицы длины, массы и времени. Их называют планковскими единицами. Вот они.

L_P — планковская длина. Алгебраически выражается так: . В численном выражении это 1,6 × 10^–33 сантиметра.

M_P — планковская масса. Алгебраически выражается так: . В численном выражении это 2,2 × 10^–5 граммов.

T_P — планковское время. Алгебраически выражается так: . В численном выражении это 5,4 × 10^–44 секунды.

Очевидно, величины Планка не очень удобны для повседневного использования. Длина и время смехотворно малы даже для субатомной физики. Длина Планка, например, составляет 1/100 000 000 000 000 000 000 (10^–20) размера протона. Масса Планка, равная 22 микрограммам, является не столь непрактичной. Дозировка витаминов, например, часто измеряется в микрограммах. Таким образом, вы можете пойти в магазин здорового питания и поискать там таблетки с планковской массой витамина B₁₂. Тем не менее для фундаментальной физики масса Планка является смехотворно большой: она примерно соответствует массе 10 000 000 000 000 000 000 (10¹⁹) протонов.

Несмотря на непрактичность этих единиц измерения, Планк гордился тем, что они основаны на величинах, которые присутствуют (предположительно) в универсальных физических законах. По его словам, эти единицы являются абсолютными. Вы можете использовать их для решения проблемы передачи в текстовом сообщении своих жизненно важных данных своему другу из галактики Андромеды. Вы просто выражаете свою длину, массу и продолжительность во времени (то есть возраст) в виде — больших! — множителей соответствующих планковских единиц.

На протяжении XX века, по мере развития физики, построения Планка приобретали все большую важность. Физики пришли к пониманию того, что каждая из величин c, G, h играет роль коэффициента преобразования, необходимого для реализации глубокой физической концепции.

• Специальная теория относительности постулирует операции симметрии (преобразования Лоренца), которые смешивают пространство и время. Однако пространство и время измеряются с помощью различных единиц, поэтому для того, чтобы эта концепция имела смысл, необходим коэффициент преобразования, на роль которого подходит с. Умножая время на с, мы получаем длину.

• Квантовая теория постулирует обратное отношение между длиной волны и импульсом, а также между частотой и энергией как аспектами волнового дуализма; однако эти пары величин измеряются с помощью различных единиц, и в качестве коэффициента преобразования необходимо ввести h.

• Общая теория относительности постулирует, что кривизна пространства-времени индуцируется плотностью энергии-импульса, однако кривизна и плотность энергии измеряются с помощью различных единиц, и в качестве коэффициента преобразования необходимо ввести G.

С помощью планковских единиц мы можем оценить, насколько хорошо наше понимание происхождения массы протонов учитывает слабость гравитации и устраняет ли оно барьер на пути к объединению сил, который, как казалось, был обусловлен слабостью гравитации.

Если мы хотим прийти к единой теории, главными компонентами которой являются специальная теория относительности, квантовая механика и общая теория относительности, то мы должны обнаружить, что самые базовые, лежащие в основе всего законы физики выглядят естественно, будучи выраженными в планковских единицах. Мы не должны получить ни слишком больших, ни слишком малых величин.

Суть нашей проблемы, связанной с очевидной слабостью гравитации, заключается в том, что масса протона очень мала, будучи выраженной в планковских единицах. Однако мы пришли к пониманию того, что масса протона не является прямым отражением самых основных законов физики. Она возникает из компромисса между энергией глюонного поля и энергией локализации кварка. Базовой физикой, лежащей в основе массы протона, тем, что запускает этот процесс, является затравочная постоянная взаимодействия (или затравочный заряд). Ее величина определяет, насколько быстро нарастание энергии глюонного поля становится угрожающим и, таким образом, сколько энергии потребуется на квантовую локализацию обнуляющих кварков, наконец, значение массы протона согласно второму закону Эйнштейна.

Возможно ли, что умеренный затравочный заряд обусловливает очень малое значение массы протона, выраженной в единицах Планка? Чтобы ответить на этот вопрос, мы, конечно же, должны определить, что мы подразумеваем под умеренным значением затравочного заряда. Чтобы измерить силу базового затравочного заряда, давайте определим, каковы его базовые физические эффекты. Можно рассмотреть любой из следующих эффектов: порождаемая им сила, потенциальная энергия или (для экспертов) поперечное сечение рассеяния этого заряда. Если измерять все эти свойства на планковских расстояниях в планковских единицах, то все ответы будут схожими, какими бы мерами мы ни пользовались. Итак, давайте возьмем силу, поскольку ее эффекты наиболее наглядны и знакомы. По словам Планка, затравочный заряд является умеренным, если он вызывает такое взаимодействие между кварками, разделенными расстоянием, соответствующим планковской длине, что оно не является ни крайне малым, ни крайне большим, будучи выраженным в планковских единицах. Конечно, он бы так и сказал. Дело не в авторитете Планка, а в идеале, воплощаемом его единицами измерения: в идеале, который заключается в возможности объединения специальной теории относительности, квантовой механики и гравитации (общей теории относительности) с другими взаимодействиями. Посмотрим на это под другим углом и спросим, приводит ли принятие этого идеала к последовательному пониманию того, почему протоны такие легкие и, следовательно, почему гравитация на практике настолько слаба.

Наконец, все сводится к очень конкретному численному вопросу: близка ли к единице величина взаимодействия между кварками, расположенными на расстоянии порядка длины Планка, будучи выраженной в планковских единицах измерения?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны экстраполировать известные нам законы физики на расстояния гораздо меньшие, чем те, на которых эти законы были проверены экспериментально. Длина Планка очень мала. Многое может пойти не так. Тем не менее в духе нашего иезуитского кредо, которое гасит: «Блаженнее просить прощения, чем разрешения», давайте просто сделаем это.

Необходимый расчет на самом деле довольно прост по меркам современной теоретической физики. Мы уже обсудили все необходимые идеи на словах. К сожалению, мне придется опустить всю алгебру, я милосердный человек, к тому же мой издатель настоятельно рекомендовал мне это сделать. Поэтому я просто сформулирую результат.

Мы находим, что затравочная постоянная сильного взаимодействия между кварками в планковском масштабе, выраженная в единицах Планка, составляет около 1/25. Это довольно осязаемое улучшение по сравнению с имевшимся у нас ранее расхождением 1/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000!

Таким образом, мы объяснили (очевидную) слабость гравитации, начиная с фундаментальной, новой, но имеющей под собой твердую основу физики. И мы преодолели главное препятствие на пути к единой теории взаимодействий.

Я надеюсь, вы согласитесь, что это довольно интересная и связная история. Заявления «миссия выполнена» основывались и на гораздо меньшем.

Однако для великих выводов такая база кажется недостаточной. Это все равно что строить перевернутую пирамиду, балансирующую на одной вершине. Для ее укрепления нам нужно более широкое основание.

Нет более убедительного способа продемонстрировать то, что вы взяли барьер, чем завершение забега. Перед нами открывается путь к объединению сил. Вступим же на него.

Известные частицы и виды взаимодействий составляют разрозненную структуру. Расширенная теория, основанная на тех же принципах, но отличающаяся большей симметрией, упорядочивает ее.

Мы видели, что некоторые хорошо известные физические законы приводят нас к глубокому объяснению одной из классических проблем физики, связанных со слабостью гравитации.

К сожалению, чтобы прийти к данному ответу, мы должны были распространить эти хорошо известные законы на гораздо меньшие расстояния по сравнению с теми, которые мы можем непосредственно исследовать. Точно так же[47] мы должны были распространить эти законы на уровни энергии, значительно превышающие те, что доступны для непосредственного исследования, — на энергии в «миллионы миллиардов» (10¹⁵) раз превышающие те, на которые рассчитан многомиллиардный европейский ускоритель БАК. Таким образом, наше объяснение основано на фундаменте из непроверенных фактов!

Мы не должны пассивно принимать эту ситуацию. Мы можем поискать другие способы получения доступа к физике объединения, а также к физике сверхкоротких расстояний и сверхвысоких энергий. Прямой путь заблокирован. На практике мы не можем ускорять и сталкивать частицы на требуемом уровне энергий. Тем не менее мы можем поискать дополнительные признаки объединения — необъяснимые закономерности в доступных нам фактах.

Такие закономерности существуют. Пожалуйста, посмотрите на рис. 17.1 и 17.2.

^{Рис. 17.1. Организация частиц и взаимодействий в Центральной теории. Обращает на себя внимание то, что кварки и лептоны делятся на шесть отдельных групп, а взаимодействия — на три отдельные части}

На рис. 17.1 представлена обнаруживаемая нами организация частиц — так называемая стандартная модель (включающая КХД). «Стандартная модель» — гротескно скромное название для одного из величайших достижений человечества. Стандартная модель в удивительно компактной форме обобщает почти все, что мы знаем о фундаментальных законах физики[48]. Все явления ядерной физики, химии, материаловедения и электронной техники заключены в стандартной модели. И в отличие от шутливого выражения Фейнмана U = 0 и словесной гимнастики классической философии этот рисунок содержит конкретные алгоритмы для развертывания символов в модель физического мира. Это позволяет делать удивительные предсказания и с уверенностью разрабатывать, например, необычные лазеры, ядерные реакторы или сверхбыструю и сверхкомпактную компьютерную память. Не прибегая к гротескной скромности, в дальнейшем я буду ссылаться на стандартную модель как на Центральную теорию.

^{Рис. 17.2. Организация тех же частиц и взаимодействий плюс много чего еще в единой теории. Обращает на себя внимание то, что кварки и лептоны объединены в одно целое, как и взаимодействия}

Трудно было бы переоценить обширность области применения, мощность и доказанную точность Центральной теории. Поэтому я даже не буду пытаться это сделать. Данная теория близка к последнему слову Природы. Она на длительное время, возможно навсегда, обеспечила основу для нашего фундаментального описания физического мира.

На рис. 17.2 представлена организация тех же частиц и их свойства в единой теории. Центральная теория далеко не автоматически может быть встроена в (гипотетическую) единую теорию. Если бы однобокие формы, присутствующие в Центральной теории, или связанные с ними странные числовые значения были другими, ничего бы не вышло. Вы не смогли бы объединить их (по крайней мере так аккуратно). Другими словами, при попытке объединения мы объясняем эти однобокие формы и странные числовые значения.

Природа поет обольстительную песню. Давайте прислушаемся к ней…

В предыдущих главах мы довольно подробно обсудили сильное взаимодействие и описывающую его теорию — квантовую хромодинамику, или КХД. Современная квантовая теория электричества и магнетизма — квантовая электродинамика, или КЭД, — является одновременно матерью и младшей сестрой КХД. Матерью, потому что КЭД возникла раньше и предоставила множество концепций, которые легли в основу КХД; а сестрой, потому что уравнения квантовой электродинамики являются более простым, менее устрашающим вариантом уравнений КХД. КЭД мы также довольно подробно обсудили.

В рамках обычного хода вещей главная роль сильного взаимодействия заключается в построении протонов и нейтронов из кварков и глюонов. При этом практически нейтрализуются цветные заряды, однако оставшиеся дисбалансы порождают остаточные силы, которые связывают протоны и нейтроны в атомные ядра. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядрами, создавая атомы. При этом практически нейтрализуются электрические заряды, однако оставшиеся дисбалансы порождают остаточные силы, которые связывают атомы в молекулы, а молекулы — в вещество. КЭД также описывает свет и все родственные ему формы электромагнитного излучения — радио, СВЧ, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Третьим крупным игроком в Центральной теории является слабое взаимодействие. Его роль в природе менее заметна, но также крайне важна. Слабое взаимодействие отвечает за алхимию. Точнее, оно превращает кварки различных ароматов друг в друга, а также превращает друг в друга различные виды лептонов. На рис. 17.1 слабое взаимодействие производит преобразования в вертикальном направлении. (Сильное взаимодействие производит преобразования в горизонтальном направлении.) При изменении одного из u−кварков в протоне на d−кварк протон превращается в нейтрон. Таким образом, изменения, вызванные слабым взаимодействием, преобразуют атомное ядро одного элемента в атомное ядро другого. Реакции, основанные на «алхимии» слабого взаимодействия (более «важным» названием которой является «ядерная химия»), могут сопровождаться высвобождением гораздо большей энергии, чем у обычных химических реакций. Звезды живут на энергии, получаемой в результате систематического преобразования протонов в нейтроны.

Прежде чем углубляться в детали устройства ядра Центральной теории (сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий), я сделаю несколько замечаний о том, что (на время!) придется обойти вниманием, — о гравитации и массе нейтрино.

• Как мы уже обсуждали, кажущаяся слабость гравитации, вероятно, больше связана с нашим восприятием, чем с собственно гравитацией. И, как мы увидим в следующих нескольких главах, Природа побуждает нас включать гравитацию вместе с другими видами взаимодействий в качестве равноправного партнера, участвующего в объединении.

На практике нет никаких трудностей для включения гравитационных взаимодействий в Центральную теорию. Для этого существует уникальный и простой способ, и он работает. (Для экспертов: примените действие Эйнштейна — Гильберта к метрическому полю, минимизируйте взаимодействие материальных полей и сделайте квантование в плоском пространстве.) В своей повседневной работе астрофизики постоянно используют общую теорию относительности наряду с остальными компонентами Центральной теории, и вполне успешно. Это касается и тех, кто использует GPS.

Короче говоря, обычная практика отделения гравитации от других составляющих Центральной теории является удобной, но, вероятно, поверхностной.

• То, что нейтрино обладает ненулевой массой, было установлено в 1998 году, однако намеки на это появились еще в 1960-е годы. Значения масс нейтрино очень малы. Масса самого тяжелого из трех типов нейтрино не превышает одной миллионной массы следующей легчайшей из известных нам частиц — электрона. Нейтрино известны своей неуловимостью и призрачностью. Около 50 триллионов этих частиц ежесекундно проходят сквозь тело каждого из нас, но мы этого не замечаем. Джон Апдайк написал о нейтрино стихотворение, которое начинается такими словами:

Нейтрино, крохотные тени, Отринув массу и заряд, Не признают закон общений, Взаимодействий и преград. Они по всей Вселенной шарят, Не поступаясь прямизной. Для них — пустой надутый шарик Трилльоннотонный шар земной[49].

Благодаря героическим усилиям экспериментаторы смогли довольно подробно изучить свойства нейтрино[50].

Центральная теория прекрасно уживается с идеей о нулевой массе нейтрино, которая очень естественно встраивается в ее структуру. Для учета ненулевых масс нейтрино мы должны добавить новые частицы с необычными свойствами, для которых нет никакой другой мотивации или доказательств. Когда мы расширим Центральную теорию, чтобы получить единую теорию взаимодействий, все будет выглядеть совсем иначе. Тогда мы признаем новые частицы в качестве родственников — блудных детей, вернувшихся в семью. А их необычное поведение намекнет на их приключения в далеких краях.

Есть еще две сложности, которые я собираюсь приукрасить. Они представляют собой отклонения от моего главного сообщения, но не упомянуть о них было бы неправильно. Пожалуйста, не позволяйте этим поверхностным осложнениям отпугнуть вас. Признавая их существование, мы не позволим им исказить наше видение.

• Одной из сложностей являются массы и смешение калибровочных бозонов. В базовых уравнениях присутствует три симметричные группы калибровочных полей. Есть восемь цветных глюонных полей, с которыми вы уже познакомились. Еще три связаны с симметрией слабого взаимодействия. Они называются W⁺, W⁻ и W⁰, и все они симметричны друг другу. Наконец, есть один изолированный калибровочный бозон B⁰ с «гиперзарядом». Сверхпроводимость Сетки придает ненулевые массы частицам, созданным W⁺ и W⁻, а также вполне определенной смеси W⁰ и B⁰. Возмущения в этой смеси производят массивные частицы, называемые Z−бозонами. Возмущения в другой комбинации W⁰ и B⁰ (для экспертов: ортогональная комбинация) остаются безмассовыми. Эта безмассовая комбинация W⁰ и B⁰ представляет собой фотон.

Подведем итог: c точки зрения математики симметрии поля W⁰ и B⁰ являются наиболее естественными. Однако возмущения с определенной массой, когда принимается во внимание сверхпроводимость Сетки, подразумевают смешение W⁰ и B⁰. Одним из типов возмущения является Z⁰−бозон с ненулевой массой; другим типом будет фотон с массой, равной нулю.

Иногда говорят, что Центральная теория объединяет электромагнетизм и слабое взаимодействие. Это вводит в заблуждение. По-прежнему существует два различных вида взаимодействия, связанных с различными видами симметрии. В Центральной теории они смешиваются, а не объединяются.

• Другую сложность представляют массы и смеси кварков и лептонов. Существует три различных «семейства». Таким образом, кроме самого легкого семейства, включающего u− и d−кварки, электрон е и электронное нейтрино ν_e, существует два более тяжелых. Ко второму семейству относятся очарованный и странный кварки с и s, мюон μ и мюонное нейтрино ν_μ. Наконец, третье семейство содержит истинный и прелестный кварки t и b, тау-лептон τ и тау-нейтрино ν_τ.

Как и калибровочные бозоны, все эти частицы не имели бы массы, если бы не сверхпроводимость Сетки. Сверхпроводимость Сетки придает им массу[51], позволяет более тяжелым смешиваться и, таким образом, сложными способами распадаться на более легкие. Эти массы и смеси чрезвычайно интересуют экспертов, и понимание их значений является нерешенной задачей теоретической физики. Кроме того, непонятым остается более простой вопрос: почему существует именно три семейства?

Поскольку у меня нет каких-либо соображений по этому поводу, я не буду тратить время на отстаивание тех или иных подробностей. Это бы только отвлекло нас от хороших идей, которые мне хочется обсудить. Поэтому я постараюсь по возможности обойтись без лишних сложностей. Роман Толстого «Анна Каренина» начинается словами «Все счастливые семьи счастливы одинаково». В таком случае мы остановимся только на одном семействе.

Ух! Сложное это дело — докапываться до простоты. Однако после того, как мы на время отправили на чердак два странных подарка (гравитацию и массу нейтрино), избавились от путаницы, обусловленной сверхпроводимостью Сетки, и решили, что одного семейства будет достаточно, возникает четкий и лаконичный образ. Именно он представлен на рис. 17.1. Это самая суть Центральной теории.

Существует три симметрии: SU(3), SU(2) и U(1). Они соответствуют сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию[52].

SU(3) — это симметрия между тремя видами цветного заряда, как нам уже известно. Она сопровождается восемью калибровочными бозонами, которые изменяются или реагируют на цветные заряды, и действует в горизонтальном направлении на рис. 17.1.

SU(2) — это симметрия между двумя дополнительными видами цветных зарядов. Она действует в вертикальном направлении на рис. 17.1.

Вы заметите, что каждая из частиц слева указана дважды. Каждая частица присутствует один раз в группе с индексом L и один раз — в группе с индексом R. Эти индексы относятся к «рукости», или хиральности, данных частиц: L — для левой руки, R — для правой руки. «Рукость» частицы определяется, как показано на рис. 17.3. «Леворукие» и «праворукие» частицы взаимодействуют по-разному. Этот факт называется «нарушением четности». Впервые его осознали Цзундао Ли и Чжэньнин Янг в 1956 году, и это открытие принесло им Нобелевскую премию в минимально короткие сроки — в 1957 году.

^{Рис. 17.3. «Рукость», или хиральность, частицы определяется направлением ее спина относительно направления ее движения. «Леворукая» частица вращается в направлении загнутых пальцев, когда большой палец левой руки указывает в направлении ее движения}

Симметрия U(1) имеет дело только с одним видом заряда. Мы указываем его воздействие на различные частицы в соответствии с тем, насколько сильно и с каким знаком один ее бозон, по сути фотон, связывается с каждой из них. Маленькие цифры, расположенные рядом с каждой группой частиц, соответствуют именно этим показателям. Например, «праворукому» электрону соответствует значение –1, поскольку его электрический заряд равен –1 (в системе единиц измерения, в которой заряд протона равен +1). Самая крупная группа, состоящая из шести элементов, содержит u− и d−кварки с каждым из трех цветных зарядов. Электрический заряд u−кварков равен 2/3, в то время как d−кварки имеют электрический заряд, равный –1/3, поэтому средний электрический заряд внутри группы равен 1/6; именно это значение вы и видите.

Вот и все. Как я уже говорил, было трудно переоценить мощь и обширность сферы применения Центральной теории. На первый взгляд правила могут показаться несколько сложными, однако эти сложности ничто по сравнению, например, с правилами спряжения нескольких неправильных глаголов в латинском или французском языке. И в отличие от последних сложности Центральной теории не являются беспричинными. Они навязываются нам экспериментальными реалиями.

Партитура песни Природы, как мы ее слышим, представлена на рис. 17.1. Мы записали эту песню и сумели зафиксировать ее в чрезвычайно компактной форме. Она представляет собой великое достижение, подводящее итоги столетиям блестящей работы.

Тем не менее, если судить по самым высоким эстетическим стандартам, возможностей для улучшения очень много. Глядя на эту партитуру, Сальери вряд ли бы воскликнул: «Переставишь одну ноту и получишь диссонанс». Скорее он бы сказал: «Интересный набросок, но он нуждается в доработке».

Возможно, зная, что он смотрит на работу мастера, Сальери бы воскликнул: «Природа, видимо, доверила свое произведение ловкому подражателю!»

Во-первых, существует три не связанных между собой взаимодействия. Они основаны на одних и тех же принципах симметрии и реакции на заряды, однако эти заряды делятся на три различные группы, которые не могут быть преобразованы друг в друга. Есть преобразования (с участием цветных глюонов КХД), которые преобразуют красные, белые и синие цветные заряды друг в друга, а также преобразования (с участием W− и Z−бозонов), которые превращают друг в друга зеленый и фиолетовый цветные заряды. А электрический заряд — это вообще отдельная вещь.

Хуже того, различные кварки и лептоны делятся на шесть не связанных между собой кластеров. И эти кластеры не очень впечатляют — один содержит шесть элементов, а остальные, содержащие три, три, два, один и один элемент, лишь отдаленно напоминают мотивы песни. Наиболее диссонирующими являются те странные числа, средние электрические заряды, связанные с каждым кластером. Они кажутся случайными.

К счастью, Центральная теория содержит затравку собственного превосходства. Ее главным принципом является симметрия, а симметрия — это концепция, которую мы можем развивать чистой мыслью, просто используя свои головы. Мы можем играть с уравнениями.

Например, мы способны представить, что существуют преобразования, которые превращают сильные цветные заряды в слабые и наоборот. Это будет создавать более крупные кластеры связанных между собой частиц, и, возможно, между ними обнаружатся интересные закономерности. В лучшем случае мы могли бы надеяться на то, что три различных преобразования симметрии SU(3) × SU(2) × U(1) представляют собой разные грани одной большой мастер-симметрии, которая включает в себя их все.

Математический аппарат симметрии разработан очень хорошо, поэтому у нас есть мощные инструменты для решения задач, связанных с выявлением подобных закономерностей. Существует не так много возможностей, так что мы можем систематически перепробовать их.

Мастер-симметрия, которая кажется мне наиболее убедительной, основывается на группе преобразований, известной как SO(10). Все интересные возможности представляют собой незначительные вариации этой.

Математически группа SO(10) состоит из вращений в десятимерном пространстве. Я хотел бы подчеркнуть, что это «пространство» является чисто математическим. Это не то пространство, в котором вы могли бы передвигаться, даже будучи очень маленьким существом. Скорее, десятимерное пространство группы SO(10), мастер-симметрии, которая включает симметрии SU(3) × SU(2) × × U(1) Центральной теории, то есть объединяет сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, является домом для концепций. В этом пространстве каждый из цветных зарядов Центральной теории (красный, белый, синий, зеленый и фиолетовый) представлен отдельной двумерной плоскостью (поэтому существует всего 5 × 2 = 10 измерений). Поскольку есть вращения, которые преобразуют любую плоскость в любую другую, группа SO(10) объединяет и расширяет заряды и симметрии Центральной теории.

Людей, искушенных в математике, не удивит то, что симметрии можно комбинировать для получения более крупных симметрий. Как я уже говорил, для этого у нас есть хорошо разработанные инструменты. Гораздо менее автоматическим и оттого гораздо более впечатляющим является то, что рассеянные кластеры кварков и лептонов сочетаются между собой. Именно это изображено на рис. 17.2. Это то, что я люблю называть кредитным счетом[53].

В этом кредитном счете все кварки и лептоны находятся на равных. Любой из них может быть преобразован в любой другой. Они образуют очень специфическую структуру, так называемое спинорное представление SO(10). Когда мы производим отдельные вращения в двумерных плоскостях, соответствующие красному, белому, синему, зеленому и фиолетовому зарядам, мы в каждом случае обнаруживаем, что половина частиц имеет положительный, а другая половина — отрицательный заряд. Они отмечаются символами «+» и «−» в кредитном счете. Каждая возможная комбинация «+» и «−» возникает только один раз, это ограничение связано с тем, что общее количество «+»-зарядов является четным.

Электрические заряды, которые в рамках Центральной теории выступают в качестве случайных украшений, суть важные элементы в гармонии объединения. Они больше не являются независимыми относительно других зарядов. Формула:

выражает электрический заряд, точнее, гиперзаряд через другие заряды. Поэтому преобразования, связанные с вращением электрического заряда, поворачивают каждую из первых трех плоскостей на некоторый общий угол, а последние две — на угол в 3/2 раза больший в противоположном направлении.

Для достижения этой степени унификации мы должны осознать, что «праворукие» частицы можно рассматривать в качестве античастиц их собственных («леворуких») античастиц. Например, «праворукий» электрон является античастицей «леворукого» позитрона. Любое из описаний имеет один и тот же физический смысл, поскольку и частица, и ее античастица представляют собой возбуждения одного и того же поля, и именно это поле присутствует в первичных уравнениях. Преобразования симметрии между полями устанавливают связь между возбуждениями одной и той же хиральности, поэтому для нахождения всех возможных симметрий мы будем иметь дело только с «леворукими» возбуждениями (даже если это означает, что нам придется работать с античастицами).

При переходе от кредитного счета к Центральной теории очень важно понимать, что дополнительные цветные заряды нейтрализуются. Равные количества красного, белого и синего заряда или равные количества зеленого и фиолетового заряда обнуляют друг друга. Так, например, три равных количества (+) красного, белого и синего цветного заряда «леворукого» электрона е обнуляются. Поэтому они также обнуляются и в «праворуком» электроне, представленном в кредитном счете в виде его «леворукой» античастицы е^с. Любые электроны являются невидимыми для цветных глюонов КХД. Другими словами, электроны не участвуют в сильном взаимодействии.

Наиболее странной является последняя запись кредитного счета — N. Ее сильные и слабые цветные заряды обнуляются. Таким образом, она невидима как для сильных, так и для слабых взаимодействий. Ее электрический заряд также равен нулю. Поэтому данная частица не реагирует на обычные силы Центральной теории. Из-за этого ее чрезвычайно сложно обнаружить — сложнее, чем нейтрино, которые участвуют по крайней мере в слабом взаимодействии. (N испытывает и оказывает гравитационное воздействие, но на практике, как мы уже обсуждали, гравитация отдельных частиц смехотворно слаба).

Разумеется, N не наблюдалось. Как это могло произойти? Если мы наблюдаем нечто, то это не может быть N, которое по определению ненаблюдаемо! Конечно, этот «триумф» теории является ложным. Однако N приветствуется и по более позитивной причине. Это дополнительная частица, которая, будучи добавленной в Центральную теорию, позволяет нейтрино иметь его крошечную массу[54].

В левом столбце кредитного счета указаны названия частиц (кварки и лептоны), которые мы используем для построения Центральной теории и мира. Однако мы могли бы удалить этот столбец. Если бы мы не знали названий этих частиц или их свойств, но имели бы только кредитный счет без всяких надписей, мы ничего бы не потеряли. Мы могли бы реконструировать свойства всех частиц, основываясь на информации кредитного счета (и конечно, их названия служат только для удобства).

И наоборот, если бы кластеры Центральной теории имели несколько другие формы или если бы сопровождающие их странные числа были другими, структура разрушилась бы.

Кредитный счет отображает соответствие математического идеала физической реальности. Это вполне достойно самой высокой похвалы Сальери: «Переставишь одну ноту и получишь диссонанс. Переставишь одну фразу, и все рассыплется».

Мифологические сирены поют захватывающие песни с каменистых берегов, навлекая на моряков погибель при кораблекрушении. Их песни содержат секреты, знания прошлого и будущего. Они обещают: «Знаем и то, что на всей происходит земле жизнедарной!» Джейн Эллен Харрисон комментирует: «Странно и прекрасно, что Гомер заставил сирен взывать к духу, а не к плоти».

Мы слышали песнь сирены об объединении.

Высшая симметрия, которая объединяет основные частицы, также предсказывает равенство между различными основными взаимодействиями. Это предсказание на первый взгляд совершенно неверно. Однако, когда мы введем поправку на искажающий эффект от флуктуаций Сетки, оно становится ближе к истине.

Мы слышали песнь сирены об объединении. Теперь пришло время открыть глаза и посмотреть, сможем ли мы ориентироваться среди скалистых берегов, где она обитает.

Усовершенствованная симметрия объединения многое объясняет. Она собирает разрозненные фрагменты Центральной теории в соразмерное целое. Тем не менее, как только наше зрение отойдет от первого ослепительного впечатления и мы посмотрим более внимательно, нам многое покажется неправильным.

На самом деле неправильным кажется что-то фундаментальное. Если сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия являются аспектами общего основного мастер-взаимодействия, то симметрия требует, чтобы все они обладали одинаковой силой. Но они ею не обладают. Это показано на рис. 18.1.

^{Рис. 18.1. Идеальная симметрия требует того, чтобы сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия имели одинаковую силу. Они ее не имеют. Для дальнейшего удобства здесь я использовал обратный квадрат связей в качестве количественной меры их относительной мощности. Таким образом, сильное взаимодействие, которое является самым мощным, указано внизу}

Существует причина, по которой сильное взаимодействие называется сильным, а электромагнитное взаимодействие — нет. Сильное взаимодействие действительно сильнее! Одним из проявлений этого различия является то, что атомные ядра, связанные сильным взаимодействием, намного меньше атомов, которые удерживаются вместе электромагнитными силами. Сильное взаимодействие удерживает ядра более плотно.

Математика Центральной теории позволяет определить точную числовую меру относительной силы разных взаимодействий. Каждое из ее взаимодействий — сильное, слабое, электромагнитное — имеет то, что мы называем параметром связи или просто связью.

В терминах фейнмановских диаграмм эта связь является коэффициентом, на который мы умножаем каждый узел. (Эти универсальные общие коэффициенты связи следуют сразу за чисто численными значениями цветных или электромагнитных зарядов соответствующих частиц, как они закодированы в записях кредитного счета.) Поэтому каждый раз, когда в узле появляется цветной глюон, мы умножаем вклад изображенного процесса на сильную связь; каждый раз, когда появляется фотон, мы умножаем на электромагнитную связь. Базовая электромагнитная сила возникает из-за обмена фотона (см. рис. 7.4), поэтому она имеет квадрат электромагнитной связи. Аналогично базовое сильное взаимодействие возникает из-за обмена глюона, поэтому оно имеет квадрат сильной связи.

Полная симметрия между силами требует того, чтобы каждый узел был связан с любым другим. Это не допускает разницы между связями. Таким образом, наблюдаемые различия создают серьезную проблему для всей идеи объединения посредством симметрии.

Важный урок Центральной теории состоит в том, что сущность, которую мы воспринимаем в качестве пустого пространства, на самом деле является динамичной средой, обладающей структурой и полной активности. Сетка, как мы ее назвали, влияет на свойства того, что в ней находится, то есть всего. Мы видим вещи не такими, какие они есть, а будто сквозь стекло, нечетко. В частности, Сетка кипит виртуальными частицами, и они могут экранировать или антиэкранировать источник. Этот феномен для сильного взаимодействия был центральной идеей повествования в частях I и II. Он имеет место и для других видов взаимодействия.

Таким образом, значения связей, которые мы видим, зависят от того, как мы смотрим. Если мы посмотрим невнимательно, то не сможем различить основные источники, поскольку их изображение будет искажено Сеткой. Другими словами, мы увидим основные источники, смешанные с окружающим их облаком виртуальных частиц. Чтобы судить о том, имеют ли место совершенная симметрия и единство сил, мы должны внести поправку на искажения.

Чтобы разобраться в основах, нам, вероятно, потребуется разрешение очень коротких расстояний и временных интервалов. Этот урок повторялся не раз, начиная с ван Левенгука и его микроскопов и заканчивая Фридманом, Кендаллом и Тейлором, использующими ультрастробоскопический наномикроскоп в Стэнфордском центре линейного ускорителя, чтобы заглянуть внутрь протонов, а также экспериментаторами, использующими машину творческого разрушения БЭПК для изучения Сетки. Как мы видели в связи с этими двумя недавними проектами, для определения чрезвычайно коротких расстояний и временных интервалов, на которых в игру вступает квантовая теория, необходимо использовать зонды, которые активно передают большие количества энергии и импульса исследуемому объекту. Именно поэтому ускорители высоких энергий, несмотря на затраты и сложность, являются инструментами выбора.

Как мы обсуждали в главе 16, облака виртуальных частиц могут увеличиваться медленно. Чтобы облако вокруг кварка выросло из умеренной затравки до угрожающих размеров, оно должно увеличиться с планковской длины до размера протона, то есть в 10¹⁸ раз!

Учитывая этот опыт, мы не должны удивляться, если обнаружим: чтобы добраться до основ, то есть расстояний, на которых может происходить объединение сил, нам может потребоваться передача немыслимых объемов импульса и энергии. Мощнейший ускоритель БАК обеспечит нам в десять раз лучшее разрешение, то есть разрешение с коэффициентом, равным 10¹, при затратах, составляющих около 10 миллиардов евро. Далее все становится сложнее.

Поэтому мы должны использовать свой мозг. Хотя он и не очень надежен, но относительно дешев и всегда под рукой (так сказать). Несколькими росчерками пера мы можем рассчитать эффекты искажения Сетки и внести соответствующие поправки.

Результат показан на рис. 18.2.

^{Рис. 18.2. Внесение поправок с учетом искажений Сетки с целью проверить, объединяются ли силы. Когда мы выстраиваем объекты так, что обратные связи, возведенные в квадрат, располагаются по вертикали в восходящем порядке и обозначаются более понятным термином — «нисходящая мощность», а по горизонтали располагаются значения логарифма энергии, или (что то же самое) обратного расстояния, скорректированные связи, рассматриваемые со все увеличивающимся разрешением, создают прямые линии. О величине погрешностей эксперимента можно судить по ширине линий. Это почти работает, но не совсем}

Как мог бы сказать Гомер Симпсон: «Ой! Это не совсем то, что нужно. Близко, но не сигара».

Что же делать?

Когда привлекательная идея является почти правильной, мы пытаемся сделать ее правильной. Мы ищем способы приблизить ее к истине.

Известный философ Карл Поппер подчеркивал важность опровергаемости в науке. Согласно Попперу, признаком научных теорий является то, что они дают утверждения — предположения, которые могут оказаться ложными. Верно ли утверждение Поппера? Можете ли вы его опровергнуть?

Возможно, это глубокая истина. Репоппизм — противоположность попперизма — говорит, что признаком хорошей научной теории является то, что вы можете сделать ее истинной. Такая теория может ошибаться, но если это хорошая теория, то на этих ошибках вы можете основывать дальнейшие построения.

В важном отношении опровергаемость и возможность приближения к истине являются двумя сторонами одной медали. Обе ценят определенность. Худшая теория, с обеих точек зрения, не есть теория, допускающая ошибки. На ошибках вы можете учиться. Худшая теория — это теория, которая даже не пытается ошибаться, теория, которая одинаково готова ко всему. Если все одинаково возможно, то нет ничего особенно интересного.

С точки зрения нашего иезуитского кредо, которое гласит: «Блаженнее просить прощения, чем разрешения» — опровергаемая теория спрашивает разрешения, теория, приближаемая к истине, просит прощения, а ненаучная теория не имеет понятия о грехе.

Идеи распознавания закономерностей и сжатия описаний, которые мы обсуждали ранее, представляют разные точки зрения на эти проблемы (и, я думаю, идут глубже). Если обработка каждого пиксела приводит к среднему оттенку серого, то в результате сырой экспозиции не появится никакого изображения. Аналогичным образом, чтобы распознать закономерности в нашем восприятии физического мира на фоне всего, что можно себе представить, наши кандидаты на звание теории должны отличать возможное от невозможного (в соответствии с теорией). Только в этом случае мы можем их по-разному раскрасить, и только тогда наши наблюдения предоставят нам контрастное изображение, с которым мы можем работать.

Если нам удастся добиться определенности и получить много правильных пикселов, то у нас может сложиться полезный образ даже при наличии нескольких ошибок. (Мы можем отретушировать его с помощью программы Photoshop.) Таким образом, кроме точности мы получаем награду за амбиции, то есть за привнесение в изображение большого количества пикселов (или, пользуясь нашей метафорой, множества фактов).

Достаточно метафор и общностей! Рассмотрим пример приближения к истине.

Наша смелая попытка объединения сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий не вполне сработала. Нам удалось создать теорию, которая оказалась не просто опровергаемой, но и совершенно ложной. Очень научной, по меркам сэра Карла Поппера. Но почему-то мы остались неудовлетворенными.

Когда такая привлекательная и почти успешная идея кажется не совсем правильной, имеет смысл попытаться ее спасти. Мы ищем способы приблизить ее к истине.

Вероятно, в наших стремлениях к объединению мы были недостаточно амбициозны. Суть объединения различных зарядов такова:

Это по-прежнему оставляет строительные блоки мира разделенными на два отдельных класса. Можем ли мы пойти дальше? Можем ли мы сделать это?

Давайте попробуем.

Когда мы расширяем физические уравнения, чтобы включить суперсимметрию, мы обогащаем Сетку. Таким образом, мы должны перекалибровать наши расчеты того, как Сетка искажает наше видение объединения. Благодаря такой коррекции в фокусе появляется резкое изображение.

Совершенствуя наши уравнения, мы расширяем мир.

В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл вывел уравнения для электричества и магнетизма, как они понимались в то время, и обнаружил, что они ведут к противоречиям[55]. Он видел, что может обеспечить их последовательность путем добавления нового члена слагаемого. Оно, разумеется, соответствует новому физическому эффекту. За несколько лет до Майкла Фарадея в Англии Джозеф Генри в Соединенных Штатах обнаружил, что при изменении во времени магнитные поля создают электрические поля. Новый член в уравнениях Максвелла являлся воплощением обратного эффекта, при котором изменение электрических полей создает магнитные поля. Объединив эти эффекты, мы получаем совершенно новую возможность: изменяющиеся электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые создают изменяющиеся электрические поля, которые создают изменяющиеся магнитные поля… Вы можете получить самообновляющееся возмущение, которое живет собственной жизнью. Максвелл видел, что его уравнения имели решения такого рода. Он мог рассчитать скорость, с которой эти возмущения перемещаются в пространстве. И он обнаружил, что они движутся со скоростью света.

Будучи очень сообразительным малым, Максвелл пришел к выводу о том, что эти электромагнитные возмущения представляют собой свет. Эта идея жива и по сей день, и у нее существует множество вариантов продуктивного использования. Она остается основой нашего глубочайшего понимания природы света. Но это еще не все. Уравнения Максвелла также имеют решения с меньшими и с большими длинами волн, чем у видимого света. Таким образом, эти уравнения предсказывали существование новых видов вещей — новых видов материи, если хотите, которые в то время не были известны. Это то, что мы сегодня знаем как радиоволны, микроволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, каждое из которых вносит значительный вклад в современную жизнь и является переселенцем из концептуального мира в физический (из к-мира в ф-мир).

В конце 1920-х годов Поль Дирак работал над улучшением уравнения, описывающего электроны в квантовой механике. Несколькими годами ранее Эрвин Шредингер сформулировал уравнение для электрона, которое очень хорошо работало во многих сферах применения. Однако физики-теоретики не были полностью удовлетворены уравнением Шредингера, поскольку оно не подчиняется специальной теории относительности. Оно является квантово-механической версией ньютоновского закона силы и подчиняется старой механической относительности, а не электромагнитной относительности Эйнштейна. Дирак обнаружил, что для получения уравнения, согласующегося со специальной теорией относительности, ему придется использовать уравнение, большее по сравнению с уравнением Шредингера. Как и усовершенствованные уравнения Максвелла для электричества и магнетизма, усовершенствованное уравнение Дирака для электронов предусматривало новые виды решений: помимо решений, которые соответствуют электронам, движущимся с разными скоростями и вращающимся в разных направлениях, были и другие. После некоторых трудностей и фальстартов и с некоторой помощью Германа Вейля к 1931 году Дирак расшифровал значение этих странных новых решений. Они представляют собой новый вид частиц с той же массой, что и у электрона, но с противоположным зарядом. Именно такая частица была обнаружена вскоре после этого, в 1932 году, Карлом Андерсоном. Мы называем ее антиэлектроном или позитроном. В настоящее время мы используем позитроны для наблюдения за тем, что происходит внутри мозга (позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)).

Существует множество других свежих примеров, когда в наших уравнениях появились новые формы материи еще до их обнаружения в лабораториях. Фактически это стало обычным делом. Кварки — как общая концепция, так и их специфические ароматы c, b и t, цветные глюоны, W− и Z−бозоны, а также все три вида нейтрино, — сначала были обнаружены в качестве решений уравнений, а позднее — в качестве явления физической реальности.

Продолжается поиск других талантливых обитателей концептуального мира, которые мы хотели бы привлечь в физический мир, в частности частиц Хиггса и аксионов. К сожалению, их подробное описание здесь потребовало бы сделать два серьезных отступления, в то время как наше повествование приближается к кульминации. Вы можете найти дополнительную информацию о них в глоссарии и примечаниях, а о частице Хиггса также в приложении Б.

Для нашей истории наиболее важным из предлагаемых расширений уравнений физики является суперсимметрия, которую часто называют SUSY. Как следует из названия, суперсимметрия предполагает, что мы должны использовать уравнения с большей симметрией.

Новая симметрия SUSY связана с буст-симметрией специальной теории относительности. Как вы помните, буст-симметрия говорит о том, что основные уравнения не меняются, когда вы описываете эффект от внедрения общей, постоянной скорости для всех компонентов описываемой вами системы. (Дираку пришлось модифицировать уравнение Шредингера, чтобы придать ему это свойство.) Суперсимметрия также говорит о том, что уравнения не меняются, когда вы сообщаете общее движение всем компонентам системы, которую описываете. Однако это совсем другой вид движения по сравнению с тем, который участвует в буст-симметрии. Вместо движения в обычном пространстве с постоянной скоростью суперсимметрия предусматривает движение в новые измерения!

Прежде чем увлечься видениями духовных миров и червоточин в гиперпространстве, позвольте мне добавить, что эти новые измерения имеют совершенно иную природу по сравнению со знакомыми нам измерениями пространства и времени. Это квантовые измерения. Тело, когда оно движется в квантовых измерениях, не перемещается, поскольку там нет понятия расстояния; вместо этого изменяется его спин. Эти «супербусты» превращают частицы с заданным значением характерного для них спина в частицы с другим значением спина. Поскольку уравнения должны оставаться неизменными, суперсимметрия связывает свойства частиц с различным спином. SUSY позволяет нам рассматривать их как одну и ту же частицу, движущуюся по-разному сквозь квантовые измерения суперпространства. Квантовые измерения можно представить в виде новых уровней Сетки. Когда частица переходит на такой уровень, ее спин (и ее масса) меняется. Заряды частицы — электрический, цветной и слабый — остаются прежними.

Суперсимметрия может позволить нам завершить работу по объединению Центральной теории. Объединение разных зарядов с помощью симметрии SO(10) свело в общий кластер все калибровочные бозоны, а также объединило в общий кластер все кварки и лептоны. Однако никакая обычная симметрия не способна объединить эти два кластера, поскольку они описывают частицы с разными спинами. Суперсимметрия — это лучшая идея для их объединения.

После расширения уравнений физики для включения суперсимметрии мы обнаруживаем, что они предусматривают большее количество решений. Как и в случае с уравнениями Максвелла и Дирака, новые решения представляют собой новые формы материи — новые виды полей и новые виды частиц, которые являются возбуждениями этих полей.

Суперсимметрия требует, грубо говоря, удвоения количества полей, имеющихся в наших уравнениях. Наряду с каждым известным нам полем в квантовых измерениях существует новое поле-партнер. Частицы, связанные с этими новыми полями, имеют те же заряды (всех видов), что и их известные партнеры, но различаются значением массы и спина.

Предположение об удвоении мира, основанное на эстетических соображениях[56], может показаться безрассудным и нелепым. Возможно, так и есть. Однако введение Дираком антиматерии предполагало аналогичное удвоение, а расширение Максвеллом мира света от видимой полосы до бесконечного пространства электромагнитного спектра было еще более значительным. Изначально обе концепции, по сути, являлись эстетическими уступками. Физики научились быть смелыми. Блаженнее просить прощения, чем разрешения. Итак, покончим с извинениями и вернемся к делу.

Новые частицы-партнеры должны быть тяжелее, чем их наблюдаемые сородичи, иначе они бы уже были обнаружены. Но мы предположим, что они не намного тяжелее, и посмотрим, к чему это приведет[57].

Колебания в этих новых полях пронизывают Сетку. Они представляют собой новые виды виртуальных частиц, которые вносят вклад в экранирование и антиэкранирование сильных, слабых и электромагнитных источников. Чтобы добраться до основ, имеющих место на коротких расстояниях или высоких уровнях энергии, мы должны скорректировать наше видение, чтобы устранить искажающий эффект этой бурлящей среды. Мы уже пытались произвести такую коррекцию ранее в главе 18 без учета этих возможных новых вкладов. Теперь мы должны скорректировать эту поправку.

Результат показан на рис. 20.1. Благодаря суперсимметрии это работает.

^{Рис. 20.1. Суперсимметрия требует расширения уравнений физики для включения новых полей. Из-за этих новых полей колебания Сетки искажают наше видение самых базовых физических процессов. После корректировки этих искажений мы обнаруживаем точное объединение на малых расстояниях, или, что то же самое, на высоких уровнях энергии}

Мы можем включить в игру и гравитацию. Она, как мы видели, изначально является гораздо более слабой силой по сравнению с другими. Глядя на левую часть рис. 20.1, отражающую расстояния и уровни энергии, к которым мы можем получить доступ на практике, мы видим, что разница в мощности между сильным и электромагнитным взаимодействием примерно десятикратна. Поэтому они легко и аккуратно вписываются в одну картину вместе со слабым взаимодействием. Гравитация же не вписывается в эту картину. Поскольку она слабее и мы отмечаем обратную мощность, гравитация должна отображаться выше других. Однако, чтобы включить ее в таком масштабе, нам придется сделать наш рисунок размером, намного превосходящим размер известной нам Вселенной!

С другой стороны…

Для сил Центральной теории — сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия — корректировки при движении вправо, к гораздо более коротким расстояниям или более высоким уровням энергии, довольно скромны (и помните, что каждая отметка на горизонтальной оси соответствует коэффициенту, равному 10). В конце концов, эти корректировки возникли из-за едва заметного квантово-механического эффекта: экранирования (или антиэкранирования), связанного с колебаниями Сетки. Когда мы рассматриваем гравитацию на очень коротких расстояниях, передавая очень большие количества энергии, изменение оказывается гораздо более радикальным. Как мы уже говорили в главе 3, гравитация непосредственно реагирует на энергию. Ее мощность, как она определяется здесь, пропорциональна квадрату энергии. Учитывая этот эффект, мы можем вычислить гравитацию на малых расстояниях и сравнить ее с другими взаимодействиями. На рис. 20.2 показан результат. Из-за пределов известной нам Вселенной обратная сила гравитации спускается, чтобы присоединиться к другим взаимодействиям, подходя к ним довольно близко.

^{Рис. 20.2. Изначально гравитация смехотворно слаба, но на малых расстояниях ее мощность приближается к мощности других видов взаимодействия; и все они собираются вместе, подходя довольно близко друг к другу}

Мы изложили идею объединения. Пришло время представить ее на окончательный суд Природы. Мы ожидаем вердиктов от ускорителей, из космоса и из-под земли.

Мы видели, что теории основных сил, каждая из которых основана на симметрии, могут быть объединены. Три отдельные Центральные симметрии могут быть реализованы в качестве частей единой, всеобъемлющей симметрии. Более того, эта всеобъемлющая симметрия привносит единство и согласованность в кластеры Центральной теории. Из пестрой шестерки мы собираем безупречный кредитный счет. Мы также обнаружили, что после внесения поправок на искажающий эффект колебаний Сетки, а также включения суперсимметрии (SUSY) различные силы Центральной теории получаются из общего значения на малых расстояниях. Даже гравитация, этот безнадежно слабый и не вписывающийся в общую картину компонент, находит свое место.

Чтобы достичь этой ясной и возвышенной перспективы, мы совершили некоторые смелые скачки в своем воображении. Мы предположили, что Сетка — сущность, которую в повседневной жизни мы считаем пустым пространством, представляет собой многослойный и многоцветный сверхпроводник. Мы предположили, что мир содержит дополнительные квантовые измерения, необходимые для поддержания суперсимметрии. Кроме того, мы смело применили законы физики, дополненные этими двумя «супер»-предположениями, к уровням энергии и расстояниям, выходящим далеко за пределы того, что мы способны непосредственно проверить.

Достигнутые интеллектуальные успехи — ясность и согласованность видения объединения — заставляют нас верить в то, что наши предположения соответствуют действительности. Однако в мире науки окончательным судьей является Мать-природа.

После того как солнечная экспедиция 1919 года подтвердила предсказание Альберта Эйнштейна об отклонении Солнцем луча света, репортер спросил ученого, что бы означал иной результат. На что Эйнштейн ответил: «Тогда Бог упустил бы прекрасную возможность». Природа не упускает таких возможностей.

Я ожидаю, что приговор Природы в пользу наших «супер»-идей ознаменует начало нового золотого века в фундаментальной физике.

Недалеко от Женевы, в лаборатории ЦЕРН, протоны будут двигаться по 27-километровому круговому туннелю со скоростью, равной 0,999998 скорости света. В противоположном направлении будут испускаться два плотных луча. Они будут встречаться в четырех точках взаимодействия, в которых детекторы размером с пятиэтажное офисное здание будут отслеживать взрывные результаты столкновений. Это проект Большого адронного коллайдера (БАК) (рис. 21.1).

^{Рис. 21.1. Детектор ATLAS в ЦЕРНе}

Огромный размер ускорителя БАК — это ответ нашей цивилизации пирамидам Древнего Египта. Однако по многим параметрам этот памятник является более благородным. Он был порожден любопытством, а не суеверием. Это продукт сотрудничества, а не приказа.

И гигантский масштаб ускорителя БАК является не самоцелью, а побочным эффектом его функции. На самом деле общий физический масштаб проекта не является единственным или даже наиболее впечатляющим из его аспектов. Внутри этого длинного туннеля находятся сложно устроенные и точно выровненные сверхпроводящие магниты. Каждый из этих могущественных гигантов имеет длину 15 метров, но построен с субмиллиметровыми допусками. Электроника обеспечивает необходимый точный хронометраж. При разделении столкновений и отслеживании частиц подсчитываются наносекунды.

Поток необработанной информации, получаемый в процессе работы ускорителя, является ошеломляющим не только для мозга, но и для компьютерных сетей. Согласно оценкам, ежегодно БАК будет производить 15 петабайт (1,5 × 10¹⁵ байт) информации. Это соответствует пропускной способности полумиллиона телефонных разговоров, происходящих одновременно и без остановок. Для обработки этой информации в настоящее время разрабатываются новые архитектуры, которые позволяют тысячам компьютеров по всему миру разделить нагрузку. Это так называемый (компьютерный) Грид-проект.

Ускоритель БАК достигнет достаточно большой концентрации энергии для проверки обоих наших «супер»-предположений.

Мы можем довольно точно оценить, что требуется для выбивания куска конденсата, ответственного за (электрослабую) сверхпроводимость Сетки. Слабое взаимодействие имеет место на коротких, но не бесконечно коротких расстояниях. W− и Z−бозоны являются тяжелыми, но не бесконечно тяжелыми частицами. Наблюдаемый диапазон взаимодействия и масса его переносчиков обеспечивают нам хорошее понимание жесткости конденсата, ответственного за эти эффекты. Зная жесткость, мы можем оценить, сколько энергии нам нужно сконцентрировать, чтобы оторвать отдельные куски (кванты) конденсата или, выражаясь более прозаично, создать частицу Хиггса, или частицы, или сектор, или что-то другое, что делает Сетку космическим сверхпроводником. Если наши идеи не являются слишком ошибочными, ускоритель БАК справится с этой задачей.

Похожая история и c суперсимметрией. Мы хотим, чтобы колебания Сетки, связанные с новыми полями-суперпартнерами, приводили к объединению сил связи. Если они способны решить эту задачу, то возбуждения, связанные с этими полями, не могут быть слишком жесткими. Некоторые из их возбуждений — некоторые новые частицы SUSY, партнеры известных нам частиц, — должны быть произведены и обнаружены на ускорителе БАК.

Если частицы-суперпартнеры действительно будут обнаружены, они предоставят нам новые сведения относительно физики объединения. Массы и связи этих частиц, как и основные связи взаимодействий Центральной теории, будут искажены эффектами колебаний Сетки. Однако подробности этих искажений, согласно предположениям, будут определенным образом различаться. Если все пойдет хорошо, то успешный, но изолированный и слабо обоснованный расчет объединения, который мы имеем сегодня, может превратиться в процветающую экосистему взаимодополняющих результатов.

К концу XX века физики консолидировали свою чрезвычайно успешную теорию материи — Центральную теорию. Ее компактное, но вместе с тем удивительно полное и точное описание основных законов материи стало венцом многовековой работы.

Однако параллельно с этим астрономы сделали потрясающие новые открытия, которые вернули нам смирение. Они обнаружили, что материя, с которой мы веками имели дело, материя, которую изучает биология, химия, инженерия и геология, материя, из которой состоим мы сами и которая прекрасно описывается нашей Центральной теорией[58], — эта обычная материя составляет лишь около 5 % массы всей Вселенной!

Остальные 95 % содержат по крайней мере два компонента, называемые темной энергией и темной материей.

На темную энергию приходится около 70 % массы. Она наблюдалась только по гравитационному влиянию, которое она оказывает на движение обычной материи. Не было замечено, чтобы эта материя излучала или поглощала свет; она является не темной в обычном смысле слова, а прозрачной. Кажется, темная энергия равномерно распределена по всему пространству, причем ее плотность остается постоянной во времени. Теория темной энергии находится в плохом состоянии. Это задача на будущее.

Темная материя составляет около 25 % массы. Она тоже наблюдалась только по гравитационному воздействию, оказываемому на движение обычной материи. Темная материя неравномерно распределена в пространстве, а ее плотность не является постоянной во времени. Она собирается в сгустки, хотя и не такие плотные, как обычная материя. Вокруг каждой тщательно изученной галактики астрономы обнаружили протяженный ореол темной материи. Эти ореолы размыты — в областях, где они перекрываются, их плотность, как правило, в миллион раз меньше плотности обычной материи, однако они занимают гораздо больший объем по сравнению с обычной материей. Вместо того чтобы говорить о галактиках как об объектах, обладающих ореолами, было бы более уместным говорить о галактике, состоящей из обычной материи, как о примеси в темной материи.

Думаю, что проблема темной материи созрела для решения.

Среди новых частиц-партнеров, предсказанных суперсимметрией, одна является особенной — самой легкой. Ее свойства зависят от деталей, относительно которых у нас нет убедительных идей (особенно от конкретных значений масс всех суперсимметричных партнеров). Поэтому мы должны испробовать все возможности. Мы обнаружили, что во многих случаях самый легкий суперсимметричный партнер живет чрезвычайно долго — дольше, чем Вселенная, — и очень слабо взаимодействует с обычной материей. Однако самым поразительным является то, что, когда мы применяем наши уравнения к Большому взрыву, чтобы увидеть, какая часть этого вещества могла бы сохраниться до сегодняшнего дня, мы обнаруживаем, что она примерно соответствует количеству темной материи. Естественно, все это говорит о том, что самый легкий партнер суперсимметрии — это и есть темная материя.

Поэтому вполне возможно, что, исследуя основные законы физики на сверхкоротких расстояниях, мы отгадаем важную космологическую загадку и начнем избавляться от утомительного смирения. Если появится какая-либо частица — кандидат на звание создателя темной материи, отличной идеей будет проверить, действительно ли этот кандидат справляется с задачей. Что касается теории, то нам нужно будет выявить все реакции, связанные с возникновением темной материи в момент большого взрыва, и произвести вычисления. Что касается эксперимента, мы хотим проверить, действительно ли кандидат является тем, что существует. Когда вы точно знаете, что ищете, найти это становится намного проще.

Существует еще одна многообещающая идея о том, что собой представляет темная материя, которая возникает из другого предложения по улучшению уравнений физики. Как мы уже говорили, КХД в глубоком и буквальном смысле является воплощением симметрии. Существует почти идеальное соответствие между наблюдаемыми свойствами кварков и глюонов и наиболее общими свойствами, допускаемыми цветовой калибровочной симметрией, в рамках специальной теории относительности и квантовой механики. Единственное исключение состоит в том, что установленные симметрии КХД не могут запретить поведение, которое не наблюдается. Установленные симметрии допускают некоторое взаимодействие между глюонами, нарушающее инвариантность уравнений КХД при изменении направления времени. Эксперименты серьезно ограничивают возможную силу этого взаимодействия. Эти пределы являются намного более жесткими по сравнению с тем, что можно было бы ожидать при случайном возникновении.

Центральная теория не объясняет это «совпадение». Роберто Печчеи и Хелен Куинн нашли способ расширить уравнения, который мог бы его объяснить. Стивен Вайнберг и я независимо друг от друга показали, что расширенные уравнения предсказывают существование новых, очень легких, очень слабо взаимодействующих частиц, называемых аксионами. Аксионы также являются серьезными кандидатами на то, чтобы считаться ответственными за происхождение космологической темной материи. В принципе, их можно наблюдать различными способами. Хотя ни один из них не является легким, поэтому охота продолжается.

Возможно также, что обе идеи правильны и оба вида частиц вносят вклад в общее количество темной материи. Было бы здорово, не правда ли?

Объединение сил Центральной теории создает большую симметрию, а большая симметрия создает дополнительные силы. Мы постулируем второй, более жесткий слой космической сверхпроводимости, чтобы объяснить, как подавляются дополнительные силы, которые мы не наблюдали[59]. Однако мы не хотим подавлять их полностью. В масштабах объединения — на высоких уровнях энергии, или, что то же самое, на коротких расстояниях — и за их пределами эти новые взаимодействия объединены с компонентами Центральной теории и обладают такой же силой.

Квантовые флуктуации — виртуальные частицы, которые достигают этих необыкновенных уровней энергии, крайне редки, но они действительно происходят. Соответственно, эффекты, которые эти флуктуации катализируют, согласно предсказаниям, должны быть очень маленькими, но не нулевыми. Два из этих эффектов настолько необычны и неожиданны, что они считаются классическими признаками физики объединения.

• Нейтрино должны приобретать массу.

• Протоны должны распадаться.