Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной Сасскинд Леонард
Художники Л. Егорова, В. Шимкевич
© Little, Brown and Company
© Перевод на русский язык, издание на русском языке. ООО Издательство «Питер», 2015
Предисловие
Мне всегда доставляло удовольствие объяснять физические проблемы. На самом деле это больше, чем просто удовольствие, для меня это потребность – объяснять физические проблемы. Я очень много времени трачу на, казалось бы, странное занятие, на маниловщину – на объяснение некоей воображаемой восхищённой аудитории сложных научных идей. Возможно, я выгляжу при этом глупо, но для меня это стало привычкой, и даже больше, чем просто привычкой: это стало неотъемлемой частью моей умственной деятельности, неким ментальным инструментом организации моих идей и даже – средством создания новых способов размышления над проблемами. Поэтому вполне естественно, что в определённый момент я решил попробовать написать популярную книгу. Более того, пару лет назад я уже начал писать книгу – про двадцатилетнюю дискуссию между мной и Стивеном Хокингом о судьбе информации, упавшей в чёрную дыру…
Но почти в то же самое время я обнаружил, что нахожусь в центре гигантского научного тайфуна. Бушующие в нём споры касались не только происхождения Вселенной, но и законов, управляющих ею. Свою статью «Антропный ландшафт теории струн» (The Anthropic Landscape of String Theory) я посвятил новой формирующейся концепции, которую назвал «Ландшафт». Статья наделала много шума в сообществе физиков и космологов, которое в настоящее время включает не только учёных, но и философов и даже богословов. Концепция ландшафта – это идея, ломающая установленные рамки и не только затрагивающая смену парадигмы в физике и космологии, но и ставящая глубокие культурные вопросы ландшафта нашей социальной и политической жизни, такие как: «Может ли наука объяснить тот экстраординарный факт, что Вселенная, кажущаяся настолько странно и неэффективно устроенной, в то же время настолько хорошо приспособлена для нашего существования в ней?» Поэтому я решил переставить кастрюлю с чёрной дырой на дальнюю конфорку и заняться популярной книгой об этой удивительной истории. Так родился «Космический ландшафт».
Читатели этой книги, возможно, обратили внимание, что последние несколько лет научные колонки СМИ пестрят сообщениями о том, что космологи озадачены двумя удивительными «тёмными» открытиями. Первое открытие заключается в том, что 90 % вещества во Вселенной состоит из некоей таинственной скрытой субстанции, называемой тёмной материей. Второе открытие утверждает, что 70 % энергии во Вселенной – это некая призрачная и таинственная вещь, называемая тёмной энергией. Эпитеты «тайна», «таинственный» и «удивительный» повторяются в этих статьях с завидной регулярностью.
Должен признаться, что не считаю достойным исследования всё, что выглядит таинственно. Для меня слово «тайна» относится к тем вещам, которые не поддаются рациональному объяснению. Открытие тёмной материи и тёмной энергии стало сюрпризом, но никак не откровением. Физики, занимающиеся элементарными частицами (и я один из них), всегда понимали, что их теории неполны и что многие частицы до сих пор остаются неоткрытыми. Традиция постулировать существование новых труднообнаружимых частиц началась с Вольфганга Паули, который правильно угадал, что одна из форм радиоактивности связана с почти неуловимой частицей, называемой нейтрино. Тёмная материя, правда, не состоит из нейтрино, но в последнее время физики напостулировали множество частиц, достойных претендовать на роль тёмной материи. В этом нет никакой тайны – только трудности выявления и обнаружения подобных частиц.
Тёмная энергия имеет больше оснований претендовать на загадочность, но основной вопрос заключается не в том, что делать с её присутствием, а в том, как объяснить её отсутствие. Физики уже больше 75 лет уверены, что существуют все основания считать пространство наполненным тёмной энергией. Таинственность здесь заключается не в самом существовании тёмной энергии, а в том, почему её так мало. Ясно лишь одно: будь тёмной энергии хотя бы немножко больше, это самым фатальным образом сказалось бы на нашем собственном существовании.
Настоящая же загадка, поднятая современной космологией, касается замалчивания присутствия «слона в комнате». Я могу добавить, что этот «слон» является полным конфузом для физиков: с какой стати вдруг Вселенная представляется нам будто бы нарочно спроектированной так, чтобы в ней могли существовать формы жизни типа нас с вами?
Этот вопрос озадачил учёных и в то же время воодушевил сторонников ложного комфорта креационистского мифа. Ситуация во многом напоминала положение в додарвиновской биологии, когда мыслители не могли понять, как без направляющей естественные физические и химические процессы божественной руки возможно возникновение чего-либо столь сложного, как человеческий глаз. Как и глаз, отдельные физические параметры Вселенной так удивительно тонко настроены и согласованы, что этот факт требует объяснений.
Позвольте мне выйти перед строем и прямо заявить о моих собственных предубеждениях. Я категорически настаиваю, что настоящая наука требует объяснений, не апеллирующих к сверхъестественным сущностям. Я считаю, что развитие глаза определяется дарвиновскими механизмами. Кроме того, я уверен, что физики и космологи также должны найти естественное объяснение свойств нашего мира, в том числе удивительно счастливого несчастного случая, благодаря которому стало возможным наше собственное существование. Я уверен, что когда люди подставляют магию в рациональные объяснения, они не делают науки, независимо от того, насколько громко они заявляют обратное.
В прошлом большинство физиков (включая меня) предпочитали игнорировать «слона» – даже ради того, чтобы отрицать его существование. Удобнее было считать, что законы природы следуют из нескольких элегантных математических принципов и что наблюдаемое устройство Вселенной является следствием счастливого стечения обстоятельств. Но последние открытия в области астрономии, космологии, и прежде всего теории струн – не оставили физикам-теоретикам иного выбора, кроме как серьёзно задуматься о таких вещах. Удивительно, но мы наконец-то начинаем понимать причины этого калейдоскопа совпадений. Факты, собранные для объяснения «иллюзии разумного замысла», свидетельствуют о зависимости устройства Вселенной только от физических и математических принципов и закона больших чисел. Вот, собственно, о чём мой «Космический ландшафт»: это научное объяснение наблюдаемых физических и космологических чудес и анализ философских последствий такого объяснения.
Кто же является целевой аудиторией этой книги? Ответ: все, у кого есть живой интерес к науке и желание проникнуть в тайну возникновения и устройства этого мира. Но хотя книга и адресована неспециалистам, она не для тех, кто ищет в науке «царских путей» и не привык напрягать свои мозги. Я постарался освободить книгу от уравнений и научного жаргона, но не от сложных концепций. Я избегал математических формул, но, с другой стороны, стремился дать точные и ясные объяснения принципов и механизмов, лежащих в основе новой формирующейся парадигмы. Понимание этой новой парадигмы будет иметь решающее значение для каждого, кто следит за дальнейшим поиском ответов на «большие вопросы».
Я благодарен многим людям, которые не всегда догадывались, что помогали мне писать эту книгу. Большинство из них – физики и космологи, чьи идеи я позаимствовал: Стивен Вайнберг, Герард ‘т Хоофт, Мартин Рис, Джозеф Полчински, Рафаэль Буссо, Алан Гут, Александр Виленкин, Шамит Качру, Рената Каллош, но прежде всего Андрей Линде, который щедро делился со мной своими идеями на протяжении многих лет.
Эта книга никогда не была бы написана без поддержки моего агента Джона Брокмана и моего друга Малкольма Гриффита, читавшего и критиковавшего первые беспорядочные черновики. Он научил меня «жонглировать более чем тремя мячами» (этой идиомой Малкольм характеризовал те сложности, которые возникают при написании последовательной книги). Я в долгу перед моим редактором, а теперь и другом Лиз Нейгл из Little Brown и признателен за её выдающийся вклад в написание книги. Её заботливое руководство было бесценным.
И наконец, сверх всякой меры я благодарен моей жене Анне за её любовь, постоянную поддержку и помощь.
Введение
Воздух очень холодный, и ничто, кроме моего собственного дыхания, не нарушает абсолютной тишины. Сухой рассыпчатый снег хрустит под подошвами ботинок. Его идеальная белизна под светом звёзд придаёт окружающей местности зловещий блеск, в то время как звезды растворяются в непрерывном свечении, пересекающем чёрный свод небес. Ночь на этой пустынной планете ярче, чем в моём родном мире. Это холодная и безжизненная красота идеального места для метафизического созерцания – если бы такое место когда-либо существовало.
Я оставил домашний уют базы, чтобы в одиночестве подумать о событиях дня, высматривая в небе падающие звёзды. Но было невозможно думать о чём-либо другом, кроме чудовищной и безликой природы Вселенной. Фейерверк галактик, бесконечно расширяющаяся Вселенная, леденящая холодность пространства, тепло рождающихся звёзд и их предсмертная агония на стадии красных гигантов: безусловно, это должно иметь экзистенциальный смысл. Кажется, что отдельный человек и жизнь в целом не имеют отношения к работе Вселенной: маленькое пятнышко воды, капля аминокислот и щепотка углерода на булавочной головке планеты, вращающейся вокруг звезды без какой-либо цели.
Чуть раньше, во время коротких часов скупого солнечного света, Курт, Кип и я прогулялись к российскому комплексу посмотреть, сможем ли мы найти кого-нибудь из «иванов», чтобы поговорить. Стивен хотел пойти с нами, но его инвалидная коляска не приспособлена для передвижения по сугробам. Покинутый комплекс – несколько низких ржавых построек из гофрированного металла – выглядел опустевшим. Мы постучали, но никаких признаков жизни не проявилось. Я с треском распахнул дверь и заглянул в пугающую темноту помещения, а затем, набравшись храбрости, шагнул вперёд и осмотрелся. Внутри полностью заброшенного комплекса было так же холодно, как и снаружи. Сотня или около того жилых комнат открыты и пусты. Как могла вот так запросто исчезнуть в никуда сотня мужчин? В молчании мы побрели обратно к нашей базе.
В баре, выпивающего и смеющегося, мы нашли нашего русского – Виктора. Он, кажется, был одним из трёх последних русских, оставшихся на планете. Поставки из России прекратились более года назад. Они бы умерли от голода, но, к счастью, наши люди приютили их. Мы никогда не видели двух других россиян, но Виктор заверил нас, что они живы.
Виктор настоял на покупке мне выпивки «для согрева» и спросил: «Как вам нравится это %#&*^ место?» Я ответил, что во время моих путешествий только однажды видел ночное небо столь же прекрасное, как здесь. По иронии судьбы другая посещённая мной чужая планета была настолько горячей, что скалы, казалось, способны были поджарить всё, что коснётся их поверхности.
Конечно же, в реальности мы не были на другой планете. Это только казалось, что мы не на Земле. Но Антарктика действительно чужая. Стивен Хокинг, Курт Каллан, Кип Торн, Стэн Десер, Клаудио Тейтельбойм, наши жены и ещё несколько физиков были там в развлекательной поездке – она прилагалась в качестве бонуса за путешествие в Чили для участия в конференции по чёрным дырам. Клаудио, известный чилийский физик, организовал для нас перелёт на пару дней на антарктическую базу на одном из гигантских грузовых самолётов чилийских ВВС «Геркулес».
Был август 1997 года, в Южном полушарии стояла зима, и мы ожидали худшего. Самый лютый мороз, который я когда-либо переживал, – это 20 градусов[1] ниже нуля, и температура минус 60 градусов,[2] которая вполне могла ожидаться на базе в середине зимы, настораживала меня. Когда самолёт приземлился, мы с тревогой застёгивали на себе тяжёлое арктическое снаряжение, предоставленное военными и рассчитанное на страшный мороз.
Затем багажный отсек открылся, и жена Курта Шанталь, выглянув из самолёта, взмахнула руками и радостно прокричала нам: «Здесь не холоднее, чем в зимний день в Нью-Джерси![3]». Так оно и было. И температура оставалась такой весь день, пока мы резвились на снегу.
Но где-то в середине ночи морозное чудовище проснулось. Наутро Антарктида дала полную волю своей ярости. Я всего на пару минут выглянул на улицу, чтобы в полной мере ощутить то, что пережили Шеклтон и его люди после кораблекрушения. Как все они не погибли? Ни один член экспедиции не был потерян. Более года на леденящем морозе и пронизывающем ветру – почему все они не умерли от пневмонии? Теперь, в центре этой ревущей бури, я знал ответ: ничто не выживает здесь – даже микробы, вызывающие воспаление лёгких.
Другой чужой планетой, которую я упомянул в разговоре с Виктором, была Долина смерти – ещё одно место, лишённое жизни. Нет, не совсем лишённое. И я ещё тогда подумал, сколь горячим должен быть воздух, чтобы уж наверняка изжарить всю протоплазму. Общим для Антарктиды и Долины смерти фактором является крайняя сухость воздуха. Здесь слишком холодно, чтобы воздух мог содержать водяной пар. Низкая влажность, а также полное отсутствие светового загрязнения делают возможным увидеть свет звёзд таким, каким его редко видит современный человек. Стоя под антарктическим звёздным небом, я вдруг понял, как нам повезло, что мы – люди. Жизнь хрупка: она процветает только в узком диапазоне температур от точки замерзания до точки кипения. Нам повезло, что наша планета находится на таком «правильном» расстоянии от Солнца: немного дальше – и повсюду будет холод вечной антарктической зимы, а то и ещё хуже, чуть ближе – и поверхность будет и в самом деле поджаривать всё, что её коснётся. Виктор, будучи русским, подошёл к вопросу с духовной стороны: «Почему бы не допустить, – спросил он, – что наше существование есть проявление бесконечной любви и доброты Бога?» Моё собственное «бессмысленное» объяснение станет вам понятным в своё время.
На самом деле у нас гораздо больше поводов поблагодарить случай, и не только за комфортную температуру. Без нужного количества углерода, кислорода, азота и других элементов от нашего климата не было бы никакого проку. Если Солнце в центре Солнечной системы заменить на более общий случай двойной звезды,[4] орбиты планет окажутся слишком хаотичными и нестабильными для существования жизни. Это всего лишь один из примеров опасностей подобного рода. Но на вершине всего – сами законы природы. Стоит внести небольшие изменения в законы Ньютона или в правила атомной физики и – пшик – жизнь либо мгновенно прекратится, либо никогда не возникнет. Кажется, что наш ангел-хранитель не только предоставил нам для жизни очень доброкачественную планету, но и придумал правила существования – законы физики и космологии – прямо-таки для нас. Это одна из величайших загадок природы. Это удача? Это чей-то разумный и благожелательный замысел? И в чьей юрисдикции находится этот вопрос: науки, метафизики или религии?
Эта книга – о споре, в котором столкнулись страсти физиков и космологов, являющемся в свою очередь частью более обширной дискуссии, особенно в Соединённых Штатах, где эти споры приняли характер партизанской войны на политическом театре. По одну сторону баррикад расположились те, кто убеждён, что мир создан или разработан неким разумным агентом в благотворительных целях. По другую сторону ощетинился лезвиями Оккама трезвый научный подход, утверждающий, что Вселенная является результатом действия безликих и бескорыстных законов физики, математики и теории вероятностей – мир, так сказать, без цели. Я не отношу к первой группе библейских буквалистов, считающих, что мир создан шесть тысяч лет назад, и готовых стоять насмерть за эту идею. Я говорю о вдумчивых интеллектуалах, которые смотрят на мир и не могут поверить, будто в том, что мир настолько хорошо приспособлен для людей, повинна лишь слепая удача. Я не обвиняю этих людей в глупости. Они имеют все основания так считать.
Защитники разумного замысла обычно приводят в качестве аргумента невозможность возникновения столь сложного органа, как зрительная система человека, в результате чисто случайных процессов. Это же невероятно! Но биологи, вооружённые очень мощным инструментом – принципом естественного отбора, чья объясняющая мощь велика, считают, что их доказательства решительно перетягивают чашу весов в пользу Дарвина. Чудо глаза – это всего лишь видимость чуда.
На мой взгляд, энтузиасты замысла обретают более твёрдую почву под ногами, когда речь заходит о физике и космологии. Биология является лишь частью истории творения. Законы физики и происхождение Вселенной – другая часть, и здесь опять появляются в изобилии невероятные чудеса. Кажется невероятным, чтобы набор каких-либо правил случайно привёл к чуду разумной жизни. Тем не менее именно в этом уверены большинство физиков: разумная жизнь является счастливым следствием физических принципов, не имеющих ничего общего с нашим собственным существованием. Здесь я разделяю скептицизм толпы сторонников разумного замысла: я считаю, что удача требует объяснения. Но объяснение, которое вытекает из современной физики, отличается от разумного замысла так же, как «Бульдог Дарвина» от «Мыльного Сэма» Уилберфорса.[5]
Дебаты, которым посвящена моя книга, это не ожесточённое политическое противостояние между наукой и креационизмом. В отличие от спора между «Бульдогом Дарвина» Томасом Хаксли и епископом Уилберфорсом, рассматриваемая дискуссия идёт не между религией и наукой, а между двумя враждующими группировками учёных – теми, кто считает, что законы природы определяются математическими соотношениями, которые просто случайно сложились так, чтобы позволить возникнуть жизни, и теми, кто считает, что законы физики в некотором роде изначально соответствуют требованиям возникновения разумной жизни. Центром кристаллизации ожесточённых споров стал антропный принцип – гипотетический принцип, который говорит, что мир-де так прекрасно устроен, чтобы мы здесь могли его наблюдать! Со своей стороны хочу заметить, что в такой формулировке не больше смысла, чем в утверждении, что причина возникновения глаза в том, чтобы кто-то смог прочитать эту книгу. На самом деле это лишь усечённый вариант гораздо более богатого набора концепций, о которых я расскажу в следующих главах.
Но полемика среди учёных стала поводом к более широкой общественной дискуссии. Неудивительно, что она вышла за пределы семинарских аудиторий и научных журналов и переросла в политические дебаты о разумном замысле и креационизме. И христианские интернет-сайты ринулись в бой.
Библия говорит:
«Ибо невидимое Его, вечная сила Его и Божество, от создания мира через рассматривание творений видимы, так что они безответны»[6]. – Его вечная власть и Божественная природа. Поэтому нет им прощения за незнание Бога.
Это неоспоримая истина. В некотором смысле, с открытием антропного принципа это стало ещё более верно, чем когда-либо прежде. Поэтому главное доказательство, которым мы обладаем, – это само сотворение Вселенной, несущее на себе подпись Бога: Вселенная сотворена так, чтобы мы могли в ней жить.
Или с другого религиозного сайта:[7]
В своей книге «Космический эскизный проект» (The Cosmic Blueprint) профессор астрономии Пол Дэвис подытоживает решающее доказательство замысла:
«Профессор сэр Фред Хойл, отнюдь не симпатизирующий христианству, говорит, что всё выглядит так, будто суперинтеллект забавляется с физикой, а также с химией и биологией».
А астроном Джордж Гринстайн замечает:
«После анализа всех свидетельств возникает навязчивая мысль о том, во Вселенной должны действовать некие сверхъестественные агенты или, скорее, Агенты. Возможно ли, что вдруг, сами того не желая, мы наткнулись на научные доказательства существования некоего высшего существа? Был ли это Бог, который пришёл и так чудесно создал космос для нашего блага?»
Стоит ли удивляться, что антропный принцип доставляет физикам столько неудобств?
Дэвис и Гринстайн – серьёзные исследователи, а Хойл – один из величайших учёных XX века. Как они отмечают, видимость разумного замысла не вызывает сомнений.[8] Для возможности существования жизни необходимо сочетание невероятных факторов. Нам потребуется несколько глав, чтобы полностью разобраться с этим «слоном в комнате», но давайте начнём с азов.
Мир, каким мы его знаем, весьма нестабилен, и в этом смысле он представляет особый интерес для физиков. Существует множество вариантов, при которых всё может пойти плохо, настолько плохо, что существование жизни в том виде, в каком она нам известна, станет совершенно невозможным. Условия, которым должен удовлетворять мир, похожий на наш и допускающий существование жизни, можно разделить на три набора требований. Первый набор включает сырьё, необходимое для существования жизни: химические вещества, поскольку жизнь – это химический процесс. Что-то в природе атомов заставляет их соединяться в самых причудливых комбинациях, образуя гигантские молекулы жизни – ДНК, РНК, сотни белков и всё остальное. На самом деле химия – это раздел физики, а конкретно – физики валентных электронов, которые обращаются вокруг ядра на самых удалённых орбитах. Валентные электроны перескакивают от одного атому к другому либо обобществляются атомами, что и позволяет атомам проявлять свои удивительные способности.
Законы физики начинаются со списка элементарных частиц, таких как электроны, кварки и фотоны, и каждая обладает собственными уникальными свойствами, например массой и электрическим зарядом. Из этих объектов построено всё остальное. Никто не знает, почему этот список именно такой и почему элементарные частицы обладают именно такими свойствами. Можно составить бесчисленное множество других подобных списков, но Вселенная, допускающая существование жизни, не терпит произвола в этом вопросе. Удаление из списка любой из этих элементарных частиц – электрона, фотона или кварка – или даже незначительное изменение любого из их свойств приведёт к полному коллапсу обычной химии. В отношении электронов и кварков всё очевидно: из кварков состоят протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, которые, в свою очередь, вместе с электронами образуют атомы. Без них атомы не могли бы существовать. Не столь очевидна важность существования фотонов. В следующих главах мы познакомимся с природой электромагнитных и гравитационных взаимодействий, пока же вам достаточно знать, что фотоны с их уникальными свойствами ответственны за существование электромагнитных сил, удерживающих электроны в атомах и атомы в химических соединениях.
Если законы природы кажутся идеально подходящими для существования химии, то так же хорошо они приспособлены и для удовлетворения второму набору требований, а именно требованиям к характеру эволюции Вселенной, допускающему наше комфортное существование. Крупномасштабные свойства Вселенной – её размеры, скорость расширения, существование галактик, звёзд и планет – в основном регулируются силой гравитации. Теория гравитации Эйнштейна – Общая теория относительности – описывает расширение Вселенной из первоначального сверхгорячего и сверхплотного сгустка, образовавшегося после Большого взрыва, до её нынешних огромных размеров. Казалось бы, свойства гравитации, особенно величину гравитационных сил, можно легко изменить. Слабость гравитационного взаимодействия остаётся по-настоящему необъяснимым чудом.[9] Гравитационное притяжение между электроном и атомным ядром в десять тысяч миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз слабее электрического. Но будь гравитационное взаимодействие хотя бы немного сильнее, Вселенная проэволюционировала бы так быстро, что на возникновение разумной жизни в ней не осталось бы времени.
Гравитация играет ведущую роль в развёртывании Вселенной. Она является причиной конденсации вещества – водорода, гелия и так называемой тёмной материи – в сгустки галактик, звёзд и, наконец, планет. Но чтобы это произошло, очень ранняя Вселенная должна быть слегка «комковатой». Если бы исходный материал Вселенной был распределён равномерно, он и оставался бы таким в течение всего времени. Выходит, что 14 миллиардов лет назад Вселенная уже состояла из множества комков. Будь комки немного больше или немного меньше, и не сформировались бы ни галактики, ни звёзды, ни планеты и жизни было бы негде развиваться.
Наконец, Вселенная имеет определённый химический состав. В начале были только водород и гелий. Разумеется, для формирования жизни этого недостаточно. Углерод, кислород и остальные элементы возникли позже. Они сформировались в ходе ядерных реакций внутри звёзд. Но способность звёзд превращать водород и гелий в наиболее важный для жизни углерод является очень деликатным делом. Небольшие изменения в законах электромагнетизма и ядерной физики способны предотвратить образование ядер углерода.
Кроме того, после образования углерода, кислорода и других биологически важных элементов внутри звёзд они должны были освободиться оттуда, чтобы предоставить материал для формирования планет и возникновения жизни, – мы ведь не можем жить в горячих недрах звёзд. Каким же образом этим элементам удалось покинуть звёздные недра? Ответ: в результате взрывов сверхновых.
Взрыв сверхновой сам по себе замечательный феномен. В дополнение к нейтронам, электронам, фотонам и гравитации для обеспечения взрыва сверхновой необходим ещё один тип элементарных частиц – нейтрино. Вылетая из коллапсирующей звезды, нейтрино создают давление, выталкивающее наружу все остальные частицы. К счастью, в нашем списке элементарных частиц присутствуют и нейтрино, притом с нужными свойствами.
Как я уже сказал, мир, полный биологических явлений, отнюдь не соответствует общим ожиданиям. Среди множества возможных вариантов списков элементарных частиц и различных взаимодействий это очень редкое исключение. Но достаточно ли исключительно это исключение, чтобы оправдать введение новой радикальной парадигмы, включающей антропный принцип? Если бы наши суждения основывались только на тех вещах, о которых я уже рассказал, нам не удалось бы привести к консенсусу даже тех, кто открыт для антропных идей. Большинство тонких настроек, необходимых для существования жизни, всё же допускают некоторый разброс, не позволяющий отвергать вероятность случайного везения. Возможно – а в это всегда верили физики, – в конце концов будет обнаружен математический принцип, который объяснит существование именно такого списка частиц и констант, и множество счастливых совпадений окажется не более чем множеством счастливых совпадений. Но существует одна тонкая настройка (я расскажу о ней в главе 2), которая в высшей степени невероятна. Она являлась вселенской головоломкой для физиков в течение пятидесяти лет. Единственное её объяснение, если только его можно назвать объяснением, – это антропный принцип.
Сформулирую ещё один парадокс: «Можем ли мы надеяться когда-нибудь объяснить чрезвычайно доброжелательный характер физических законов нашего собственного мира без апелляции к сверхъестественному разуму, когда антропный принцип с его помещением разумной жизни на центральное место в объяснении свойств нашей Вселенной выглядит как предположение, будто кто-то, некий агент, наблюдает за человечеством?» Эта книга о формировании новой физической парадигмы, которая тоже использует антропный принцип, но особым способом, предполагающим полностью научное объяснение наблюдаемой щедрости Вселенной, – при помощи физического дарвинизма, как я его называю.
Каковы же законы физики, о которых я говорил? Как они сформулированы? До тех пор, пока не появился Ричард Фейнман, единственным инструментом, который использовали теоретики для выражения законов физики, были загадочные непроходимые уравнения квантовой теории поля – настолько сложные, что даже у математиков были проблемы с их пониманием. Но сверхъестественная способность Фейнмана визуализировать физические явления в корне изменила ситуацию. Он придумал, как обобщить законы элементарных частиц в виде несколько простых рисунков. Фейнмановские диаграммы и законы физики элементарных частиц, известные физикам как стандартная модель, будут предметом главы 1.
Действительно ли Вселенная и законы природы настолько сбалансированы? Вторую главу, которую я назвал «Мать всех физических проблем», правильнее было бы назвать «Мать шаткого равновесия». Если законы элементарных частиц перенести на законы гравитации, результатом станет потенциальная катастрофа: мир, в котором небесные тела поведут себя подобно элементарным частицам, будет разорван на куски самой разрушительной силой, какую только можно себе вообразить. Единственный выход из этого кошмара – подобрать значение одной из констант, космологической постоянной Эйнштейна, настолько точно, что никому даже в голову не придёт, что это значение могло возникнуть случайным образом.
Космологическая постоянная была введена Эйнштейном вскоре после завершения его теории гравитации, и вот уже более 90 лет она является величайшей загадкой для физиков-теоретиков. Она описывает силу отталкивания – наподобие антигравитации – силу, которая могла бы полностью разметать Вселенную, не будь космологическая постоянная столь исчезающе малой. А проблема в том, что все современные теории требуют, чтобы космологическая постоянная была отнюдь не малой. Современная физика покоится на двух основаниях: теории относительности и квантовой механике. Общим результатом построения мира на этих принципах оказывается Вселенная, которая очень быстро самоуничтожается. Но по совершенно необъяснимым причинам космологическая постоянная «отрегулирована» с удивительной степенью точности. Для некоторых этот факт больше, чем какой-либо другой, служит основанием считать, что Вселенная должна быть результатом творения.
Но ведь Стандартная модель не вырублена на скрижалях? Может быть, возможны другие законы?
В третьей главе я объясню, почему не все наши частные законы универсальны – они могут изменяться в зависимости от места или времени. Законы физики чем-то похожи на погоду: они управляются невидимыми космическими силами почти так же, как дождь, ветер или град управляются температурой, влажностью, атмосферным давлением и скоростью ветра. Эти невидимые агенты влияния называются полями. Некоторые из них, такие как магнитное поле, нам хорошо знакомы. Многие другие не известны даже физикам. Но они есть, они заполняют пространство и управляют поведением элементарных частиц. Ландшафт – вот термин, который я придумал для описания всей совокупности этого теоретического окружения. Ландшафт – это пространство возможностей, схематическое изображение всех возможных условий, допускаемых теорией. За последние пару лет существование богатого ландшафта возможностей стало центральным вопросом в теории струн.
Но наш спор имеет не только научную сторону. В главе 4 мы поговорим об эстетической стороне дискуссии. Физики, особенно физики-теоретики, наделены обострённым чувством красоты, элегантности и неповторимости. Они всегда считали, что законы природы являются уникальным и неизбежным следствием некоторых элегантных математических принципов. Эта вера настолько глубоко укоренилась в их головах, что большинство моих коллег испытают горькое чувство утраты и разочарования, если окажется, что никакой неповторимости и элегантности на самом деле нет, если выяснится, что законы физики страшны и уродливы. Но что такое элегантность физического закона в понимании физика?
Если единственным критерием правильности устройства Вселенной является возможность существования разумной жизни, то вся теоретическая конструкция вполне может оказаться подобием безумной неуклюжей машины Руба Голдберга.[10] Несмотря на уверения физиков, что законы, управляющие элементарными частицами, элегантны, эмпирические данные склоняют нас к противоположному выводу. Вселенная имеет больше общего с машиной Руба Голдберга, чем с уникальным следствием математической симметрии. Мы не сможем полностью вникнуть в споры и оценить необходимость сдвига парадигмы без понимания смысла красоты и элегантности в физике, без знания истории возникновения этих понятий и их соотношения с реальным миром. Эта книга – о концептуальном «землетрясении», но не только в работах теоретиков.
Многое из того, что мы знаем, известно из экспериментальной космологии и современной астрономии. Движущей силой изменения парадигмы являются два ключевых открытия: успех инфляционной космологии и обнаружение очень малой космологической постоянной. Под термином инфляция понимается короткий период быстрого экспоненциального расширения Вселенной, который подготовил сцену мироздания для Большого взрыва. Без инфляции Вселенная, вероятно, так и осталась бы крошечным зёрнышком, не более элементарной частицы. В результате инфляционной фазы Вселенная выросла до размеров, значительно больших, чем всё, что мы можем обнаружить с помощью самых мощных телескопов. Когда в 1980 году Алан Гут впервые предложил инфляционную теорию, было очень мало шансов, что астрономические наблюдения когда-либо смогут её подтвердить или опровергнуть. Но с тех пор астрономия расширила свои возможности на несколько порядков и то, что когда-то казалось немыслимым, сегодня является свершившимся фактом.
Невероятные достижения в астрономии привели ко второму открытию, которое обрушилось на физиков как гром среди ясного неба и настолько шокировало научный мир, что мы до сих пор не оправились от его последствий. Все были уверены, что давно забытая космологическая постоянная[11] равна нулю, и вдруг оказалось, что нет. Это выглядело так, будто в законах природы кто-то специально прописал ненулевое значение космологической постоянной, чтобы предохранить зарождающуюся жизнь от смертельной опасности – и ни для чего более. Глава 5 посвящена этим открытиям. В этой главе также сообщаются основные сведения из астрономии и космологии, которые понадобятся читателю.
Космологическая постоянная может служить «матерью эквилибристики», но существует и множество дополнительных деликатных условий, которые кажутся фантастическим стечением обстоятельств. В главе 6 «О мороженой и варёной рыбе» будет рассказано об этих менее значительных гирьках, уравновешивающих Вселенную. Они варьируются от космологических до микроскопических масштабов, от сценария расширения Вселенной до масс элементарных частиц, таких как протон и нейтрон. Усвоенный нами урок свидетельствует, что Вселенная не является простой, напротив, она полна удивительных, необъяснимых счастливых случайностей.
До недавнего времени антропный принцип почти всеми физиками воспринимался как ненаучная, религиозная и вообще тупиковая и ошибочная идея. По их мнению, этот принцип был плодом горячечного бреда опьянённых космологов, упившихся собственными мистическими идеями. Реальным теориям, таким как теория струн, надлежит разрешать все загадки природы научным путём, который не имеет ничего общего с возможностью или невозможностью нашего собственного существования. Но потрясающий поворот судьбы поставил струнных теоретиков в неловкое положение: теперь их собственная заветная теория повернулась против них и стала оружием в руках их противников. Вместо одной уникальной элегантной теоретической конструкции она создаёт колоссальный ландшафт в духе машины Руба Голдберга. В результате многие струнные теоретики сменили сторону баррикад. В главах 7, 8, 9 и 10 я расскажу о теории струн и о её влиянии на сдвиг парадигмы.
В главах 11 и 12 речь пойдёт о новых представлениях о Вселенной, которые формируются благодаря совместной работе астрономов, космологов и физиков-теоретиков: о мире, который, согласно космологам Андрею Линде, Александру Виленкину и Алану Гуту, состоит из практически бесконечной коллекции невероятно разнообразных «карманных вселенных». В каждом кармане стоит собственная «погода»: свой собственный список элементарных частиц, набор взаимодействий и физических констант. Последствия такого широкого взгляда на Вселенную очень важны для физики и космологии. Вопрос «Почему в нашей Вселенной всё так, как мы наблюдаем?» может быть теперь заменён вопросом «Есть ли среди этого бесчисленного разнообразия карманов такой, условия в котором похожи на условия в нашей Вселенной?» О механизме, называемом вечной инфляцией и приводящем к этому разнообразию путём эволюции из начального хаоса, о революционных изменениях в дискуссии об антропном принципе, к которому привела новая теория, идёт речь в главе 11.
Сдвиг космологической парадигмы касается не только основ теоретической физики. В главе 12 рассказывается о битве титанов, о конфликте, который я называю «Битва при чёрной дыре». Эта битва разыгрывалась последние тридцать лет и радикально изменила понятия физиков о гравитации и чёрных дырах. Битва велась за судьбу информации, падающей за горизонт событий чёрной дыры: теряется ли она навсегда для внешнего наблюдателя, остающегося по эту сторону горизонта? Или же существуют какие-то тонкие неведомые каналы связи, по которым информация возвращается в нашу Вселенную, после того как чёрная дыра испаряется? Хокинг отстаивал мнение, что вся информация, ушедшая за горизонт, теряется безвозвратно. Нет ни малейшего способа получить информацию об объектах, которые находятся по ту сторону. Но это оказалось не так. Законы квантовой механики не допускают возможности потерять даже один бит. Для того чтобы понять, как информация избегает пожизненного заключения в чёрной дыре, необходимо было полностью перестроить самые фундаментальные представления о пространстве.
Чем же «Битва при чёрной дыре» поможет нам в поиске ответов на вопросы, поднимаемые в этой книге? Поскольку под влиянием космологической постоянной Вселенная расширяется, в космологическом масштабе тоже должен существовать горизонт событий. Наш космический горизонт располагается на расстоянии около 15 миллиардов световых лет от Земли, где звезды «убегают» так быстро, что их свет уже никогда не достигнет нас, как и любой другой сигнал. Это, как и в случае с горизонтом чёрной дыры, – точки, откуда нет возврата. Единственное отличие в том, что космический горизонт окружает нас, в то время как горизонт чёрной дыры окружаем мы. В любом случае ничто из-за горизонта не может влиять на нас, по крайней мере, так считалось… Кроме того, другие карманные вселенные – гигантское море разнообразия – находятся вне нашей досягаемости, за горизонтом! Согласно классической теории, эти другие миры навсегда изолированы от нашего мира. Но те же аргументы, при помощи которых была выиграна «Битва за Чёрную дыру», применимы и к космологическим горизонтам. Свидетельства существования и детали устройства всех прочих карманных вселенных содержатся в тонких особенностях космического излучения, которое постоянно омывает все части нашей наблюдаемой Вселенной. Глава 12 является введением в «Битву за Чёрную дыру», рассказом о том, как она была выиграна и какие последствия это имело для космологии.
Споры и дискуссии, изложенные в «Космическом ландшафте», происходили в реальности: физики и космологии со всей страстью отстаивали собственные взгляды, всё это было на самом деле. Глава 13 посвящена современным взглядам ведущих физиков-теоретиков и космологов и их спорам. Также в ней обсуждаются различные пути, которыми эксперименты и наблюдения могут помочь нам достичь консенсуса.
На вопрос Виктора «Почему бы не допустить, что наше существование есть проявление бесконечной любви и доброты Бога?» я бы привёл ответ Лапласа Наполеону: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе». «Космический ландшафт» – вот мой ответ, и в равной мере это – ответ постоянно растущей армии физиков и космологов на парадокс доброжелательной Вселенной.
Глава 1. Фейнмановский мир
Без сомнения, мы никогда не узнаем имени первого космолога, который посмотрел в небо и задался вопросами: «Что всё это значит? Откуда оно взялось? Какова моя роль во всём этом?» Мы можем лишь предположить, что это произошло в доисторические времена, вероятно, в Африке. Первые космологические модели, базировавшиеся на мифах, не имели ничего общего с сегодняшней научной космологией, но они родились из того же человеческого любопытства. Неудивительно, что эти мифы рассказывали о земле, воде, небе и живых существах. И разумеется, они апеллировали к сверхъестественному творцу: как же ещё объяснить существование таких сложных и замысловатых существ, как люди, не упомянуть дождь, солнце, съедобных животных и растения, которые, кажется, созданы исключительно для нашей пользы?
Идея о существовании точных законов, управляющих как горним, так и дольним миром, отсылает нас к Исааку Ньютону. До Ньютона не существовало концепции универсальных законов, одинаково применимых как к небесным телам типа планет, так и к повседневным земным явлениям: льющемуся дождю или летящей стреле. Ньютоновские законы движения служат первым примером таких универсальных законов. Но даже могучий ум сэра Исаака не сумел проникнуть настолько далеко, чтобы предположить, будто те же самые законы способны привести и к возникновению человека. К сожалению, Ньютон тратил больше времени на теологию, чем на физику.
Хоть я и не историк, всё же рискну высказать мнение, что современная космология фактически началась с Дарвина и Уоллеса.[12] В отличие от своих предшественников, им удалось представить объяснение нашего существования, полностью исключающее вмешательство сверхъестественных сил. В основе эволюционного учения Дарвина лежат два эмпирических закона. Первый говорит о том, что невозможно полностью избежать ошибок при копировании информации. Даже лучший репродуктивный механизм время от времени даёт сбои, и репликация ДНК – не исключение. За столетие до открытия Криком и Ватсоном двойной молекулярной спирали ДНК Дарвин интуитивно понял, что накапливание случайных мутаций и есть тот механизм, который служит локомотивом эволюции. Большинство мутаций неблагоприятны, но Дарвин достаточно хорошо разбирался в вероятностях, чтобы понимать, что то и дело по чистой случайности возникают и полезные мутации.
Вторым столпом интуитивной теории Дарвина был принцип конкуренции. Победитель размножается. Лучшие гены обеспечивают процветание, худшие приводят в смертельный эволюционный тупик. Эти две простые идеи великолепно объясняют, как сложные и даже разумные формы жизни способны развиться без сверхъестественного вмешательства. В сегодняшнем мире компьютерных вирусов и интернет-червей очень легко представить себе аналогичные эволюционные принципы применительно к неживым объектам. После того как мы удалили магию из происхождения живых существ, перед нами открывается путь к чисто научному объяснению акта творения.
Дарвин и Уоллес задали стандарты не только для биологических наук, но также и для космологии. Законы, управляющие рождением и эволюцией Вселенной, должны быть теми же самыми законами, которые управляют падением камней, химическими реакциями, ядерными процессами и превращениями элементарных частиц. Они освобождают нас от оков сверхъестественного, показывая, что сложная и даже разумная жизнь может развиться естественным образом из случайностей путём конкуренции. Космологам следует поступить так же: положить в основу космологии обезличенные правила, одинаковые для всей Вселенной, происхождение которых не имеет никакой связи с нашим собственным существованием. Единственный бог, существование которого могли бы допустить космологи, – это «слепой часовщик» Ричарда Докинза.[13]
Современная космологическая парадигма не очень стара. Когда я был молодым и учился в магистратуре Корнелльского университета, в начале 1960-х, Теория Большого взрыва ещё находилась в состоянии острой конфронтации с другим серьёзным претендентом – Теорией стационарной Вселенной, которая была очевидным логическим антагонистом теории Большого взрыва. Если теория Большого взрыва утверждала, что Вселенная возникла в какой-то момент времени, то теория стационарной Вселенной говорила, что Вселенная существовала всегда. Эта теория была детищем трёх знаменитых космологов: Фреда Хойла, Германа Бонди и Томаса Голда, считавших возникновение Вселенной в результате происшедшего каких-то десять миллиардов лет назад взрыва слишком сомнительным событием. Голд был профессором в Корнелле, и его кабинет располагался всего через несколько дверей от моего. В те времена он неустанно проповедовал добродетель бесконечно старой и бесконечно большой Вселенной. Моё знакомство с ним ограничивалось тем, что мы здоровались по утрам, но однажды, что было очень нехарактерно для него, Голд подсел с чашкой кофе к нескольким студентам, и у меня появилась возможность задать ему давно мучивший меня вопрос: «Если Вселенная вечна и неизменна, как так получается, что галактики удаляются друг от друга? Не означает ли это, что в прошлом они были более тесно упакованы в пространстве?» Объяснение Голда было простым: «Разумеется, галактики разлетаются, но по мере того, как они удаляются друг от друга, освобождающееся пространство между ними заполняется вновь создаваемой материей». Это был, конечно, разумный, но не имеющий математического смысла ответ. В течение нескольких последующих лет теория стационарной Вселенной уступила место теории Большого взрыва и была забыта. Победившая парадигма Большого взрыва утверждала, что расширяющаяся Вселенная насчитывает около десяти миллиардов лет и имеет протяжённость в десять миллиардов световых лет.[14] Однако одно утверждение разделялось обеими теориями: уверенность в том, что Вселенная однородна, то есть что в любой её части на протяжении всей её истории действуют одни и те же физические законы, причём это именно те самые законы, которые мы открываем в наших земных лабораториях.
Было интересно наблюдать взросление экспериментальной космологии. За последние сорок лет она превратилась из набора качественных гипотез в зрелую и очень точную количественную науку. Но лишь сравнительно недавно основные концепции теории Большого взрыва, сформулированные ещё Георгием Гамовым, начали вытесняться более мощными идеями. На заре нового столетия мы вдруг обнаружили, что перешли тот водораздел, который, по-видимому, навсегда изменит наши представления о Вселенной. Случилось нечто гораздо более важное, чем открытие нового факта или вывод нового уравнения. Наше видение мира, рамки, ограничивающие наше мышление, более того, вся эпистемология физики и космологии сейчас переживают серьёзное потрясение. Узкая парадигма XX века, представляющая единственную Вселенную с возрастом в десять миллиардов лет и десяти миллиардов световых лет в поперечнике, уступает место чему-то несравнимо большему, готовому разродиться массой новых возможностей. Постепенно космологи и физики вроде меня приходят к точке зрения на нашу десятимиллиардолетнюю Вселенную как на один из бесконечно малых карманов колоссального Мегаверсума,[15] в то время как физики-теоретики предлагают теории, задвигающие наши обычные законы природы в дальний угол гигантского ландшафта математических возможностей.
Слову «ландшафт» в том значении, в котором оно используется в контексте этой книги, всего несколько лет, но с тех пор, как я в 2003 году ввёл его в обращение, оно заняло прочное положение в космологическом лексиконе. Оно обозначает математическое пространство, представляющее все возможные природные условия, допускаемые теорией. Каждая возможная реализация условий содержит свои собственные физические законы, собственный набор элементарных частиц и фундаментальных констант. Некоторые из реализуемых миров очень похожи на наш, но отличаются в деталях. Например, один мир может содержать электроны и кварки и все прочие элементарные частицы, известные в нашем мире, но гравитационное взаимодействие в нём будет в миллиард раз сильнее. В другом гравитационные силы будут такими же, как и в нашем мире, но электроны – тяжелее атомных ядер.[16] Третий окажется во всём похож на наш, за исключением огромной отталкивающей силы (она описывается космологической постоянной), растаскивающей в разные стороны галактики, молекулы и даже атомы. И даже трёхмерность нашего пространства не является «священной коровой»; отдельные области Ландшафта могут иметь четыре, пять, шесть и больше пространственных измерений.
Согласно современным космологическим теориям, разнообразие ландшафта приводит к соответствующему разнообразию в обычном пространстве. Лучшая на сегодняшний день теория Вселенной – инфляционная космология – против нашей воли приводит нас к концепции Мегаверсума, заполненного огромным количеством миров, которые Алан Гут назвал «карманными вселенными». Некоторые из карманных вселенных микроскопически малы и никогда не достигнут макроразмеров. Другие – велики, как наша, но абсолютно пусты. И каждая из них расположена в собственной маленькой долине космического Ландшафта. Так что старый вопрос XX века «Что мы можем найти во Вселенной?» теперь следует переформулировать в виде: «Что мы не можем в ней найти?»
Следует также пересмотреть и переосмыслить место человека во Вселенной. Мегаверсум столь разнообразен, что вряд ли допускает существование разумной жизни повсюду, но она может развиваться в отдельных его частях. Согласно этой новой точке зрения, ответы на множество вопросов типа: «Почему эта физическая константа имеет именно такое значение, а не другое?» будут радикально отличаться от тех, которые надеялись услышать физики. Уникальные значения констант не будут являться результатом строгого математического вывода, поскольку Ландшафт допускает бесконечное число вариаций всех возможных значений. Вместо этого ответом будет: «Где-то в Мегаверсуме эта константа имеет такое значение, а где-то – сякое. Мы живём в одном маленьком кармане, в котором значения констант таковы, что позволяют существовать жизни нашего типа. Именно поэтому. И это всё! Других ответов нет».
Мы наблюдаем удивительно гармоничное сочетание законов природы и значений фундаментальных констант, которое не имеет никакого иного объяснения, кроме как: «Если бы было иначе, разумная жизнь не могла бы существовать». Некоторым кажется, что законы физики, по крайней мере часть их, были специально подобраны с таким расчётом, чтобы обеспечить наше существование. Эта идея, называемая антропным принципом, ненавидима большинством физиков, о чём я уже упомянул во Введении. Для многих она пахнет сверхъестественным мифом творения, религией и разумным замыслом. Кое-кто считает, что она призывает сдаться и отказаться от благородных поисков рациональных ответов. Но из-за новых беспрецедентных открытий в физике, астрономии и космологии те же самые физики вынуждены в настоящее время пересматривать свои предубеждения. Движущей силой, которая гонит эти волны перемен, служат четыре принципиальных открытия: два в области теоретической физики и два – в области наблюдательной астрономии. С теоретической стороны гонит волну ответвление инфляционной теории, называемое теорией вечной инфляции и требующее, чтобы мир представлял собой Мегаверсум, наполненный карманными вселенными, раздувающимися подобно пузырькам газа в только что откупоренной бутылке шампанского. В то же время теория струн порождает невероятно разнообразный ландшафт. Лучшая оценка даёт 10500 различных вариантов возможных миров. Это число (единица с пятьюстами нулями) намного превосходит самые «невообразимо большие» числа, но даже оно может оказаться недостаточно большим, чтобы описать все возможные варианты.
Самые последние астрономические открытия были сделаны практически параллельно с теоретическими достижениями. Новейшие астрономические данные подтверждают, что Вселенная во время инфляционной фазы экспоненциально расширилась до размеров, в невероятное число раз превышающих те стандартные десять или пятнадцать миллиардов световых лет, которыми мы привыкли оперировать. У нас практически не осталось сомнений, что мы являемся частью намного большего Мегаверсума. Но самой потрясающей новостью оказалось то, что в нашем космическом кармане пресловутая космологическая постоянная (математический член, который Эйнштейн ввёл в свои уравнения и впоследствии решительно от него отказался) отнюдь не равна нулю, как предполагалось ранее. Эти открытия раскачали лодку больше, чем какие-либо другие. Космологическая постоянная вносит в гравитационное взаимодействие дополнительную силу отталкивания, своего рода антигравитацию, в существование которой в реальном мире абсолютно никто не верил. Сам факт наличия ненулевого космологического члена стал катастрофой для физиков, и единственный известный нам способ хоть как-то осмыслить это открытие – апелляция к презираемому и поносимому антропному принципу.
Я не знаю, какие ещё странные и невообразимые повороты будет преодолевать наше представление о Вселенной на пути исследования просторов космического Ландшафта. Но я уверен, что на рубеже XXII века философы и физики будут смотреть на наше «сегодня» как на рубеж, на котором концепция устройства Вселенной XX века уступила место Мегаверсуму, заполненному Ландшафтом умопомрачительных масштабов.
Природа дрожит
Если квантовая теория не потрясла тебя, значит, ты её ещё не понял.
Нильс Бор
Утверждение, что Законы Физики могут меняться во Вселенной от места к месту, имеет такую же степень бессмысленности, как и утверждение, что в природе существует более чем одна вселенная. Вселенная – в буквальном смысле слова – это всё, что существует, и по идее это существительное вообще не должно иметь множественного числа. Законы, управляющие Вселенной в целом, не могут меняться, потому что сразу же возникает вопрос: а какие законы управляют изменением законов? Относятся ли эти законы к Законам Физики?
Но я понимаю под Законами Физики нечто более скромное, чем великие всеобъемлющие законы, регулирующие все аспекты Мегаверсума. Я понимаю под ними то же, что понимали рядовые физики XX века, занятые в большей степени своими лабораторными исследованиями, нежели размышлениями о судьбах Вселенной: под Законами Физики я понимаю законы, управляющие «строительными блоками» обычной материи.
Эта книга – именно о таких Законах Физики. Она ставит вопрос не «Что они такое?», а «Почему они такие?». Что же это за законы? Что они утверждают и как они выражаются? Задача первой главы моей книги – коротко рассказать о законах физики, как они понимаются в начале третьего тысячелетия.
Для Исаака Ньютона и его последователей физический мир представлял собой строго детерминированную машину, будущее которой однозначно определялось её прошлым с той же неизбежностью, «как вслед за днём бывает ночь». Законы природы представляли собой правила (уравнения), описывающие этот детерминизм точным математическим языком. Например, можно совершенно однозначно определить траекторию, по которой будет двигаться объект, точно задав его начальные координаты и скорость. Великий французский физик Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) выражал идею детерминизма следующим образом:
«Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие его прошлого и причину его будущего. Разум, которому в каждый определённый момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы неясного, и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое».
Поскольку высказывание Лапласа звучит несколько витиевато, я должен пересказать его в более строгой формулировке: если в какой-то момент времени вы (или некий сверхразум) получите абсолютно точную информацию о координатах и скоростях всех частиц во Вселенной, то сможете с абсолютной точностью предсказать будущее этого мира на сколь угодно большой промежуток времени. Этот ультрадетерминистический взгляд на природу был превалирующей парадигмой вплоть до начала XX века, когда явился мятежный мыслитель Эйнштейн и всё изменил. Хотя Эйнштейн в основном известен как творец теории относительности, его важнейшим и радикальным вкладом в физику, вкладом, подрывающим основы физики, было создание вовсе не теории относительности, а странного мира квантовой механики. И тогда физики пришли к пониманию, что Законы Физики – это в первую очередь законы квантовой механики. Именно поэтому я собираюсь начать первую главу с краткого введения в философию квантовой механики.
Представьте себе мир современной физики, напоминающий кэрролловскую Страну чудес, мир, где всё является не тем, чем кажется, всё флуктуирует и мерцает и над всем царит неопределённость. Забудьте предсказуемую «заводную» Вселенную Ньютона. Мир квантовой механики полностью непредсказуем. Революция, происшедшая в физике в начале XX века, была отнюдь не «бархатной». Она не только изменила уравнения, которыми описываются физические законы, но и разрушила эпистемологические основы классической физики и философии.
Многие физики не сумели перестроить разум на новый лад и мыслями остались в XIX веке. Но более молодое и более гибкое поколение исследователей, упиваясь новыми необычными идеями, создало интуитивно понятный и мощный способ описания новой физики. Их вклад позволил моему поколению уже гораздо проще мыслить квантово-механическими и релятивистскими представлениями, чем классическими.
Создание квантовой механики стало величайшим потрясением за всю историю физики. Квантовый мир – это мир постоянных флуктуаций, мир вероятностей и мир неопределённости. Но электрон не шатается по пространству, будто пьяный матрос по пирсу, он подчиняется достаточно строгим шаблонам случайности, которые могут быть точно описаны каббалистическими символами абстрактной математики. Однако небольшие усилия с моей стороны и немного терпения с вашей позволят нам перевести наиболее важные положения квантовой механики на простой и понятный человеческий язык.
Начиная с XIX века физики использовали метафору бильярда, представляя физический мир как набор взаимодействующих и сталкивающихся частиц. Эту аналогию использовали и Максвелл, и Больцман. Она используется и в настоящее время для объяснения квантового мира. В первый раз я слышал её от Ричарда Фейнмана, который придумал следующее описание:
Представьте идеальный бильярдный стол, катаясь по которому, шары не испытывают трения, а все столкновения шаров абсолютно упругие, то есть при столкновениях шаров не происходит потери кинетической энергии. В дополнение ко всему уберём лузы, так что шары, однажды приведённые в движение, будут бесконечно долго продолжать двигаться, сталкиваясь друг с другом и со стенками бильярда. В начале игры пятнадцать шаров располагаются в виде треугольника, наподобие двумерного аналога пирамиды пушечных ядер. Шестнадцатый шар разбивает пирамиду.
То, что произойдёт далее, чрезвычайно сложно поддаётся предсказанию и точному описанию. Но почему? Потому что каждое столкновение умножает незначительные различия между начальными скоростями и положениями шаров, и даже очень малое изменение начальных параметров приводит к огромному изменению конечных скоростей и координат после множества столкновений. Ситуация подобной ультрачувствительности поведения системы к начальным условиям называется хаосом, и она типична для окружающей нас природы. В отличие от моделирования шахматной партии, где начальные условия описываются набором целых чисел, при моделировании бильярдной партии нужна практически бесконечная точность. Тем не менее в классической физике шары движутся по идеально точным траекториям и их движение полностью предсказуемо, если только начальные положения и скорости шаров известны нам с бесконечной точностью. Разумеется, чем на более отдалённый момент времени мы хотим предсказать движение шаров, тем с большей точностью нам необходимо знать начальные условия. Но поскольку не существует никаких ограничений на точность задания начальных условий, то соответственно нет и никаких ограничений на точность предсказаний будущего или реконструкции прошлого.
В противоположность классическому квантовый бильярд совершенно непредсказуем, независимо от того, насколько точно мы зададим начальные условия. Не существует такой точности, которая позволила бы нам предсказать что-либо, кроме статистического поведения шаров. В классическом бильярде мы прибегаем к статистическому описанию из-за того, что мы не можем чисто технически достичь необходимой точности определения начальных условий, или из-за того, что решение соответствующих уравнений оказывается слишком сложным. Но квантовый случай не оставляет нам выбора. Законы квантовой механики содержат принципиальную неопределённость, которая не может быть устранена. Почему? Из-за чего мы оказываемся не в состоянии предсказать будущее на основе заданных начальных координат и скоростей? Ответ кроется в знаменитом принципе неопределённости Гейзенберга.
Принцип неопределённости накладывает фундаментальное ограничение на точность одновременного определения координат и скоростей. Это физический аналог ситуации, описанной в «Уловке 22». Пытаясь увеличить точность наших знаний о текущем местоположении шара, мы неизбежно теряем в точности знаний о его последующем положении. Принцип неопределённости является не просто качественной характеристикой поведения объектов, он имеет точную количественную формулировку: произведение неопределённости координаты и неопределённости импульса[17] объекта всегда больше некоторой (очень малой) величины, называемой постоянной Планка.[18] Сам Гейзенберг и многие после него мечтали найти способ обойти принцип неопределённости. Гейзенберг использовал в своих рассуждениях в качестве примера электроны, но с таким же успехом можно рассматривать и бильярдные шары. Представим себе квантовый бильярдный шар, освещённый потоком света. Отражённый от поверхности шара свет можно сфокусировать объективом на фотографической плёнке и, изучив полученное изображение, сделать вывод о местоположении бильярдного шара. Но как определить его скорость? Простейший и наиболее прямой путь – определить местоположение шара ещё раз через короткий промежуток времени. Зная два последовательных положения тела и разделяющий их промежуток времени, можно без труда вычислить скорость.
Почему эксперимент такого рода невозможен? Ответ отсылает нас к одному из величайших открытий Эйнштейна. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц, но в начале XX века корпускулярная теория света была полностью дискредитирована. Многие оптические эффекты, такие как интерференция, могли быть объяснены только в предположении, что свет представляет собой волны, похожие на рябь на поверхности воды. В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал чрезвычайно удачную теорию, описывающую свет в виде электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве подобно звуковым волнам в воздухе. Поэтому предположение, сделанное в 1905 году Эйнштейном, о том, что свет (и все прочие виды электромагнитного излучения) состоит из крохотных частиц, называемых квантами, или фотонами, выглядело, мягко говоря, шокирующим. Эйнштейн странным образом предположил, что свет, сохраняя свои прежние волновые свойства – длину волны, частоту и т. п., – состоит при этом из отдельных частиц – квантов. Эти кванты несут определённые порции энергии, которые не могут быть разделены на более мелкие, и описанные свойства света не позволяют построить с его помощью точное изображение слишком малых объектов.
Начнём с определения положения. Для получения чёткого изображение шара длина волны света должна быть не слишком велика. Правило простое: если вы хотите найти положение объекта с заданной точностью, необходимо использовать свет с длиной волны, не превышающей заданную погрешность. Любые изображения, получаемые при помощи света, являются более или менее нерезкими, и желание увеличить резкость заставляет использовать более короткие волны. Подобная проблема отсутствует в классической физике, где энергия светового импульса может быть сколь угодно малой. Но как показал Эйнштейн, свет состоит из неделимых фотонов, и более того, как мы увидим далее, чем меньше длина волны света, тем больше энергия составляющих его фотонов.
Всё это означает, что для получения более резкого изображения, позволяющего более точно определить положение шара, требуется использовать фотоны более высоких энергий. Но это накладывает серьёзные ограничения на точность последующего измерения скорости. Дело в том, что более энергичные фотоны, отражаясь от бильярдного шара, будут передавать ему больший импульс, тем самым изменяя его скорость. Это наглядный пример провала попытки определить положение и скорость с бесконечной точностью.
Обнаруженная в 1905 году связь между длиной волны электромагнитного излучения и энергией фотонов (чем меньше длина волны, тем больше энергия) стала одним из важнейших открытий Эйнштейна. В порядке увеличения длины волны спектр электромагнитного излучения состоит из гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, микроволнового излучения и радиоволн. Радиоволны имеют длины волн от долей метра до космических размеров. Они представляют собой очень плохой выбор для получения резких изображений обычных объектов, потому что величина размытия изображения будет порядка длины волны. На экране радиолокатора человек будет неотличим от мешка с грязным бельём. Более того, мы даже не сможем точно сказать, одного или двух людей мы видим, если расстояние между ними будет меньше длины радиоволны. Все изображения будут выглядеть размытыми пятнами. Это не означает, что радиоволны бесполезны для получения изображений: они просто не годятся для изображения слишком малых предметов. Радиоастрономия является очень мощным методом изучения крупных астрономических объектов, в то время как гамма-излучение лучше всего подходит для получения информации об очень мелких вещах, таких как атомные ядра, потому что длина волны гамма-кванта намного меньше размера атома.
Другими словами, энергия кванта увеличивается с уменьшением длины волны. Отдельные радиокванты имеют слишком маленькую энергию, чтобы их обнаружить. Фотоны видимого света более энергичны: одного фотона видимого света достаточно, чтобы разрушить молекулу. Адаптированный к темноте человеческий глаз способен различать отдельные фотоны, потому что их энергии достаточно для возбуждения палочек сетчатки. Ультрафиолетовые и рентгеновские фотоны обладают энергией, достаточной для выбивания электрона из атома, а гамма-кванты способны разрушать не только атомные ядра, но даже протоны и нейтроны.
Этой обратно пропорциональной зависимостью между длиной волны и энергией объясняется одна из важных тенденций в физике ХХ века: строительство всё более и более мощных ускорителей. Чем глубже пытаются проникнуть физики в структуру материи, исследуя молекулы, атомы, ядра, кварки и т. д., чем более мелкие объекты они исследуют, тем меньшие длины волн им нужны для получения чётких изображений этих объектов. Но уменьшение длины волны неизбежно требует увеличения энергии квантов. Для получения таких высоких энергий частицы приходится ускорять до огромных кинетических энергий. Например, для ускорения электронов до огромных энергий приходится строить гигантские по размерам установки. Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC), располагающийся неподалёку от того места, где я живу, может ускорить электроны до энергий, в 200 000 раз превосходящих их массы. Но это требует машины примерно в две мили длиной. SLAC является по существу двухмильным микроскопом, который позволяет наблюдать объекты в тысячу раз меньшие, чем протон.
По мере того как на протяжении XX века физикам становились доступны для изучения всё более мелкие объекты, ими обнаруживались всё более неожиданные вещи. Одним из самых драматических стало открытие, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами. Расстреливая нуклоны высокоэнергетичными частицами, учёные сумели различить составляющие их крошечные компоненты – кварки. Но даже при самых больших энергиях (которым соответствуют самые малые длины волн) электрон, фотон и кварк остаются, насколько мы можем утверждать, точечными объектами. Это означает, что мы не можем обнаружить никакой внутренней структуры или составляющих частей электронов и кварков, равно как не можем и определить их размеры. Они так и остаются для нас бесконечно малыми точками.
Вернёмся к принципу неопределённости Гейзенберга и его последствиям. Представим себе один шар на бильярдном столе. Так как шар не может покинуть бильярдный стол, мы автоматически кое-что уже знаем о его положении в пространстве: неопределённость его положения не больше, чем размеры стола. Чем меньше стол, тем более точно мы знаем положение шара, но тем выше становится неопределённость импульса. Если бы мы начали измерять скорость шара, запертого в пределах бильярдного стола, то в разные моменты времени получили бы разные значения скорости, и в первую очередь это касается направления скорости. Если же мы попытаемся отобрать у шара всю его кинетическую энергию, то обнаружим, что в квантово-механическом случае остаточные колебания не могут быть устранены. Брайан Грин[19] придумал для описания этого движения термин квантовая дрожь, и я буду следовать его примеру. Кинетическая энергия, связанная с квантовой дрожью, называется энергией нулевых колебаний, и её невозможно отобрать у квантового объекта.
Существование квантовой дрожи, требуемое принципом неопределённости, приводит к интересному следствию, когда мы пытаемся охладить обычное вещество до нулевой температуры. Тепло, как известно, представляет собой кинетическую энергию случайных движений молекул. В классической физике при охлаждении системы до абсолютного нуля молекулы в конце концов полностью останавливаются и, как результат, их кинетическая энергия тоже становится равной нулю.
Каждая молекула в твёрдом теле имеет вполне определённое положение, только она удерживается на месте не бортами бильярдного стола, а другими молекулами. Принцип неопределённости требует, чтобы каждая молекула обязательно обладала некоторой скоростью. В результате в реальном веществе, подчиняющемся законам квантовой механики, кинетическая энергия никогда не может быть отобрана у молекул полностью, даже при абсолютном нуле!
Координата и скорость – отнюдь не единственные параметры, на которые накладывает ограничение принцип неопределённости. Существует много пар так называемых сопряжённых величин, которые не могут быть определены одновременно: чем более точно фиксируется одна, тем сильнее флуктуирует другая. Очень важным примером является принцип неопределённости энергии-времени: невозможно определить точный момент времени, в который происходит событие, и точное значение энергий объектов, принимающих в нём участие. Предположим, что физик-экспериментатор захотел столкнуть две частицы в конкретный момент времени. Принцип неопределённости энергии-времени ограничивает точность, с которой он может измерить энергию частиц, а также момент времени, в который произошло столкновение. Увеличение точности измерения энергии неизбежно приводит к увеличению неопределённости момента столкновения – и наоборот.
Ещё один важный пример, который мы рассмотрим в главе 3, касается величин электрического и магнитного полей в определённой точке пространства. Эти поля, которые будут играть главную роль в последующих главах, являются невидимой субстанцией, заполняющей пространство и управляющей силами, действующими на электрически заряженные частицы. Напряжённости электрического и магнитного полей, подобно координате и скорости частицы, не могут быть определены одновременно. Если точно известна напряжённость одного, то напряжённость другого обязательно неопределённа. По этой причине поля находятся в состоянии постоянного «дрожания», которое не может быть устранено, что, как и следует ожидать, приводит к появлению некоторой плотности энергии, даже в абсолютно пустом пространстве. Эта вакуумная энергия привела к одному из величайших парадоксов современной физики и космологии. Мы ещё неоднократно вернёмся к нему в следующих главах.
Неопределённость и дрожь – ещё не всё. Квантовая механика имеет другую, квантовую сторону. Слово «квантовый» подразумевает некоторую степень дискретности, или зернистости, природы. Фотоны – порции энергии, составляющие световые волны, являются лишь одним из примеров. Электромагнитное излучение является колебательным процессом, или, другими словами, осцилляцией. Ребёнок на качелях, колеблющаяся пружина, вибрирующая скрипичная струна, звуковая волна всё это колебательные явления, и все они обладают свойством дискретности. В каждом случае энергия изменяется квантовыми дискретными порциями, которые не могут быть разделены на части. В макроскопическом мире пружин и качелей величина кванта энергии настолько мала, что нам кажется, будто энергия может принимать любые произвольные значения. Но на самом деле энергия любого колебания кратна некоторой минимальной неделимой величине, равной частоте колебаний, умноженной на постоянную Планка.
Электроны в атоме также колеблются, окружая ядро. В этом случае квантование энергии можно описать, воображая, что электроны движутся по дискретным орбитам. В атоме, который построил Бор, электроны представляются бегающими вокруг ядра, как если бы они были вынуждены двигаться по отдельным полосам беговой дорожки. Энергия электрона определяется номером полосы, которую он занимает.
Хотя дрожь и дискретность квантового мира и выглядят странными, но по-настоящему странным квантово-механическим поведением является интерференция. Это замечательное явление иллюстрирует знаменитый эксперимент с двумя щелями. Представьте себе небольшой источник света – очень яркую миниатюрную лампочку в тёмной комнате, а ещё лучше – лазерный луч. На некотором расстоянии от него помещена фотоплёнка. Когда свет от источника попадает на плёнку, она чернеет – точно так же, как и обычная фотографическая негативная плёнка. Очевидно, что если на пути света поместить непрозрачное препятствие, например лист металла, то свет не попадёт на плёнку и никакого почернения наблюдаться не будет. Теперь прорежем в листе металла две параллельные вертикальные щели, так чтобы свет попадал на плёнку, проходя через них. Наш первый эксперимент очень прост: закроем одну щель, скажем левую, и включим источник света.
Спустя какое-то время на плёнке появится широкая полоса – размытое изображение правой щели. Теперь закроем правую щель и откроем левую. На плёнке появится вторая широкая полоса, частично перекрывающая первую.
Снова возьмём неэкспонированную плёнку, но на этот раз откроем обе щели. Если вы заранее не знаете, чего ожидать, результат может вас удивить. На плёнке не будет двух перекрывающихся пятен, как в предыдущем случае. Вместо этого мы обнаружим череду узких тёмных и светлых полос, как на шкуре зебры. В области перекрытия тёмных пятен из предыдущего эксперимента теперь присутствуют незасвеченные участки. Свет как будто самоуничтожается в некоторых местах, пройдя через правую и левую щели. Это явление называется деструктивной интерференцией и представляет собой хорошо известное свойство волн. Ещё одним примером интерференции являются биения, которые вы слышите, когда звучат две практически одинаковые ноты.
Если вы попробуете провести этот эксперимент дома, то обнаружите, что всё не так просто, как я рассказываю. Во-первых, интерференционная картина будет хорошо видна, только если щели очень узкие и расположены очень близко друг к другу. Не пытайтесь прорезать щели консервным ножом – ничего путного не получится. Лучше возьмите бритву. Во-вторых, источник света должен быть точечным. Древний нетехнологичный способ создания точечного источника света состоит в закрывании лампочки накаливания чёрной бумагой, в которой проколото булавочное отверстие. Современный высокотехнологичный способ заключается в использовании лазера. Идеально подойдёт лазерная указка. Проходя через аккуратно прорезанные щели, лазерный свет создаёт прекрасную чёткую интерференционную картину. Основная трудность при проведении этого эксперимента – надёжно закрепить все компоненты.
Продолжим наши оптические экзерсисы, но на этот раз будем уменьшать интенсивность источника до тех пор, пока из него не начнут вылетать по одному отдельные фотоны. При попадании на достаточно чувствительную фотоплёнку отдельный фотон оставляет на ней чёрную точку. При длительной экспозиции множество точек создадут изображение. В итоге мы увидим те же узоры, что и в предыдущем эксперименте. Среди прочего этот эксперимент подтверждает идею Эйнштейна о том, что свет состоит из отдельных фотонов. Кроме того, частицы попадают на плёнку случайным образом, и интерференционная картина проявляется, только когда мы накопим достаточно много фотонов.
Но эти фотоны ведут себя самым неожиданным образом. Когда открыты обе щели, ни одна частица не попадает на те места фотоплёнки, где имеет место деструктивная интерференция. И это несмотря на тот факт, что фотоны попадают на эти места, когда открыта только одна щель. Складывается впечатление, что открытая левая щель мешает фотонам проходить через правую, и наоборот.
Рассмотрим это под другим углом. Предположим, что точка X соответствует месту на плёнке, в котором происходит деструктивная интерференция. Фотон может добраться до точки X, когда открыта левая щель. Он может также добраться до X и через открытую правую щель. Здравый смысл подсказывает, что если открыты обе щели, то вероятность, что фотон доберётся до X, увеличится. Но нет – независимо от того, как долго мы будем ждать, в точке X не появится ни одного фотона. Откуда фотон, проходя через левую щель, знает, открыта или закрыта при этом правая? Физики иногда описывают этот своеобразный эффект так, будто фотон не проходит через каждую из щелей, но вместо этого «чувствует» оба пути и «вычисляет» их вклад в конечный результат. Облегчает или нет такое представление понимание явления, интерференция всё равно остаётся очень странным феноменом. Однако вы привыкаете к странностям квантовой механики, если работаете с ней сорок или более лет. Но каждый раз, отвлекаясь, чтобы отрефлексировать её, вы понимаете, что всё это очень и очень странно!
Элементарные частицы
Природа выглядит организованной иерархически: большие вещи состоят из более мелких, которые, в свою очередь, состоят из ещё более мелких, и т. д., пока мы не достигаем предела разрешения наших измерительных приборов. Обычный мир полон подобными иерархиями. Автомобиль – не что иное, как набор составляющих его частей: колёс, двигателя, карбюратора и т. п. Карбюратор, в свою очередь, состоит из более мелких деталей, таких как винты регулировки холостого хода, дроссельные заслонки, форсунки и пружинки. Наш опыт подсказывает, что свойства более мелких вещей определяют поведение более крупных. Философский подход, декларирующий, что целое есть сумма составляющих его частей и что природу можно понять, разлагая её на более простые составляющие, носит название редукционизм.
Во многих академических кругах слово «редукционизм» является ругательным. Редукционизм разжигает в научных кругах такие же мощные страсти, как эволюция в религиозных. Мысль о том, что всё сущее – лишь результат взаимодействия мёртвых частиц, рождает такое же неприятие, как мысль о том, что мы, люди, – всего лишь автомобили для наших самолюбивых генов. Так это или нет, но редукционизм реально работает. Любой автомеханик – редукционист, по крайней мере на работе. В науке[20] сила редукционизма феноменальна. Основные законы биологии определяются химией органических молекул: ДНК, РНК и белков. Химики редуцируют сложные химические свойства молекул до простых свойств атомов, и на этом уровне эстафету у них уже перехватывают физики. Атом – это не что иное, как набор электронов, вращающихся вокруг ядра. Из курса физики элементарных частиц мы знаем, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Те в свою очередь состоят из кварков. Как долго ещё можно разбирать эту матрёшку? Кто знает… Физики XX века добились больших успехов, распространив редукционизм на уровень так называемых «элементарных частиц». Под Законами Физики я понимаю законы, управляющие этими мельчайшими строительными блоками. Очень важно разобраться с тем, что это за законы, прежде чем задаваться вопросом, почему эти законы именно такие.
Языком теоретической физики служат математические уравнения. В физике чрезвычайно сложно зачать новую теорию, иначе как написав для неё одно или несколько уравнений. Уравнения Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения Эйнштейна, уравнение Шрёдингера являются важнейшими примерами этого. Математический каркас физики элементарных частиц называется квантовой теорией поля. Это сложный предмет, изобилующий весьма абстрактными уравнениями. Уравнения квантовой теории поля настолько сложны, что порой складывается впечатление, будто они не являются правильными – не может же правильная теория быть настолько сложной. К счастью для нас, великий Ричард Фейнман испытывал те же чувства, глядя на уравнения квантовой теории поля, и чтобы упростить понимание теории, он придумал изящный способ изображать эти уравнения в виде картинок. Метод Фейнмана настолько интуитивно понятен, что позволяет изложить основы квантовой теории поля без единого уравнения.
Дик Фейнман был гением визуализации (что не мешало ему прекрасно разбираться и в уравнениях): он создавал мысленные иллюстрации для всего, над чем работал. В то время как иной физик исписывал всю доску формулами в попытке вывести какое-нибудь свойство элементарных частиц, Фейнману достаточно было нарисовать картинку, и ответ становился очевиден сам собой. Он был магом, клоуном и хвастуном, но придуманная им магия позволяла формулировать Законы Физики простым и понятным любому способом. Фейнмановские диаграммы – это буквально фотографии событий, которые происходят при перемещении частиц в пространстве, столкновениях и взаимодействиях. Фейнмановская диаграмма может содержать всего несколько линий, описывающих столкновение двух электронов, или, напротив, быть обширной сетью взаимосвязанных ветвлений, замкнутых траекторий, описывающей все частицы, составляющие кристалл алмаза, живое существо или астрономическое тело. Эти диаграммы могут быть редуцированы до нескольких основных элементов, в которых заключено всё, что нам известно об элементарных частицах. Разумеется, это больше, чем просто фотографии, – в реальности за каждой диаграммой стоят технические детали, описывающие, что делать дальше, чтобы выполнить точный расчёт, но это не столь важно. В нашем случае одна картинка стоит тысячи уравнений.
Квантовая электродинамика
Квантовая теории поля начинается с кастинга персонажей, а именно со списка элементарных частиц. В идеале список должен включать все элементарные частицы, но это непрактично: мы более чем уверены, что мы даже не знаем полного списка. Но составив неполный список, мы не слишком много потеряем. Это как в театральном представлении: в реальности каждый рассказ касается любого человека на земле, его прошлого и настоящего, но только сумасшедший драматург станет писать пьесу с несколькими миллиардами действующих лиц. Для каждой конкретной истории одни персонажи важнее других, и то же самое верно для физики элементарных частиц.
Авторская пьеса, сочинённая Фейнманом, называлась Квантовая электродинамика, или, для краткости, КЭД, и в ней было всего два действующих лица: электрон и фотон. Позвольте мне их представить.
Электрон
В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томпсон открыл первую элементарную частицу. Электричество уже было хорошо известно к тому моменту, но эксперименты Томпсона стали первыми, подтвердившими, что электрический ток представляет собой движение отдельных заряженных частиц. Этими движущимися частицами, питающими тостеры, лампочки и компьютеры, являются, конечно же, электроны.
Эффекты, создаваемые электронами, трудно превзойти по драматизму. Когда гигантские молнии прочерчивают небосвод, электроны перетекают из одного заряженного облака в другое. Раскаты грома порождаются ударной волной, возникающей в результате быстрого расширения воздуха, нагреваемого столкновениями электронов молнии с молекулами воздуха. Вспышка молнии – это электромагнитное излучение, порождённое ускоряющимися и тормозящимися электронами. Крошечные искры и треск, вызываемые статическим электричеством в сухой день, являются проявлениями тех же физических процессов, только в меньших масштабах. Даже обычная бытовая электроэнергия – это не что иное, как тот же поток электронов, прирученный и запертый в медных проводах.
Каждый электрон имеет точно такой же электрический заряд, как и другие электроны. Заряд электрона невероятно мал, необходимо огромное число электронов – около 1019 в секунду, – чтобы создать ток в один ампер. Есть одна странность в величине заряда электрона, которая смущала многие поколения студентов, изучавших физику: заряд электрона отрицателен. Почему? Есть ли в электроне что-либо принципиально отрицательное? В действительности отрицательность заряда электрона не является каким-то особым свойством этой частицы, это всего лишь результат произвольного соглашения. История этого соглашения восходит к Бенджамину Франклину,[21] который был первым физиком, предположившим, что электрический ток представляет собой поток заряженных частиц. Но Франклин ничего не знал об электронах и выбрал за направление электрического тока то, которое оказалось противоположным направлению движения электронов. В силу традиции остается таким же выбранное Франклином направление тока, а заряд электрона – отрицательным. Как следствие, мы, профессора физики, вынуждены постоянно напоминать студентам, что когда электрический ток течёт слева направо, электроны движутся справа налево. Если это доставляет вам неудобства, вините во всём Бена Франклина.
Если вдруг все электроны внезапно исчезнут, то это приведёт к гораздо более катастрофическим последствиям, чем неработающие тостеры, лампочки и компьютеры. Электроны играют в природе очень важную роль. Всё обычное вещество состоит из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов, вращающихся вокруг атомных ядер как раскидайчики на резинках. Атомные электроны определяют химические свойства всех элементов таблицы Менделеева. Квантовая электродинамика – это гораздо больше, чем теория электронов: она является основой для теории всей материи.
Фотон
Если электрон – это маркиз Карабас драмы КЭД, то фотон – несомненно, Кот в сапогах. Именно благодаря ему электрон добивается всех своих успехов. Процесс излучения света молнией можно разложить на микроскопические события, в которых отдельные электроны, ускоряясь или тормозясь, «стряхивают» с себя фотоны. Весь сюжет КЭД вертится вокруг одной основной репризы: излучения одиночных фотонов одиночными электронами.
Фотоны также играют незаменимую роль и в атоме. В определённом смысле, который станет вам понятен позднее, фотоны являются теми верёвками, тросами, которые притягивают электроны к ядру. Если бы фотоны были внезапно исключены из списка элементарных частиц, каждый атом мгновенно распался бы.
Ядра
Одна из главных целей создания КЭД состояла в объяснении некоторых свойств простых атомов, и в первую очередь атома водорода. Почему именно водорода? Атом водорода, имея всего один электрон, настолько прост, что уравнения квантовой механики могут быть решены для него аналитически. Для более сложных атомов с многими электронами, влияющими друг на друга, решения могут быть получены только с помощью мощных компьютеров, которых не существовало, когда создавалась КЭД. Но для изучения любого атома в список действующих лиц должен быть добавлен ещё один персонаж – ядро. Ядра состоят из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Эти две частицы очень похожи друг на друга, за исключением того, что нейтрон не имеет электрического заряда. Физики используют для этих двух частиц обобщающее название: нуклон. Ядро, по сути, является каплей слипшихся нуклонов. Структура любого ядра, даже ядра атома водорода, настолько сложна, что физики, подобные Фейнману, решили игнорировать её. Вместо этого они сосредоточились на гораздо более простой физике электрона и фотона. Но они не могли полностью исключить ядро из рассмотрения, поэтому ввели его в пьесу не как актёра, а как сценический подмосток. Это стало возможным по двум причинам.
Во-первых, ядро гораздо тяжелее электрона. Оно настолько тяжёлое, что почти неподвижно. Поэтому не будет большой ошибкой замена ядра на неподвижный точечный положительный заряд.
Во-вторых, ядро очень мало по сравнению с атомом. Электрон вращается вокруг ядра на расстоянии около 100 000 ядерных диаметров и никогда не подлетает настолько близко, чтобы затронуть сложную внутреннюю структуру ядра.
Согласно редукционистскому взгляду на физику элементарных частиц, все явления природы – свойства твёрдых тел, жидкостей, газов, живой и неживой материи – могут быть редуцированы до взаимодействий и столкновения электронов, фотонов и атомных ядер. А весь сюжет пьесы состоит в том, что актёры тут и там сталкиваются друг с другом, отскакивают друг от друга, рождая в ходе столкновений новых актёров. Именно эти процессы и изображаются на фейнмановских диаграммах.
Фейнмановские диаграммы
Подъехав к развилке на дороге, следуйте по ней.
Йоги Берра[22]
Итак, у нас есть актёры, у нас есть пьеса, и теперь нам нужна сцена. Шекспир сказал: «Весь мир – театр», и, как всегда, бард имел на это право. Сцена для нашего фарса – это весь мир, что для физика означает «всё обычное трёхмерное пространство». Верх-низ, восток-запад и север-юг – вот три направления, которые мы можем задать вблизи поверхности Земли. Но классическая драма предполагает не только единство действия, но и единство времени. Таким образом, нам необходимо четвёртое направление: прошлое-будущее, образующее вместе с тремя пространственными направлениями пространство-время. С тех пор как Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, физики взяли за правило изображать мир как четырёхмерное пространство-время, охватывающее не только «сейчас», но и всё прошлое и будущее. Точка в пространстве-времени – «где и когда» – называется событием.
Для представления пространства-времени можно использовать лист бумаги или меловую доску. Поскольку бумага или доска имеет только два измерения, нам придётся немного «похимичить». Нарисованная на бумаге горизонтальная ось будет изображать сразу все три пространственных направления. Напрягите своё воображение и представьте себе, что горизонтальная ось – это на самом деле не одна, а три перпендикулярные оси. Такой трюк оставляет нам вертикальное направление для представления времени. Будущее обычно принято изображать вверху, а прошлое – внизу (это, конечно, не более чем произвольное соглашение, подобное традиции изображать на географических картах Северное полушарие вверху, а Южное – внизу). Точка на листе бумаги изображает событие – где и когда. Это то, с чего начал Фейнман: частицы, пространство-время и события.
Наша первая фейнмановская диаграмма изображает самый простой случай: «электрон движется из точки a в точку b». Чтобы представить это графически, нарисуем на листе бумаги линию, соединяющую событие a и событие b. Фейнман даже рисовал на линии маленькую стрелку, назначение которой скоро станет понятным. Линия, соединяющая a и b, называется пропагатором.
Пропогатор электрона
Фотон тоже может перемещаться из одной точки пространства-времени в другую. Фейнман изображал движение фотона другой линией, или пропагатором. Иногда пропагатор фотона изображается волнистой линией, а иногда – пунктирной. Я буду использовать пунктирную линию.
Пропагаторы – это больше, чем просто картинки. Они являются квантово-механическими инструкциями для расчёта вероятности того, что частица, побывав в точке a, окажется позже в точке b. Фейнману принадлежит радикальная идея, что частица не просто движется по кратчайшему пути из a в b, а странным образом чувствует все возможные маршруты, включая случайные зигзагообразные блуждания. Мы уже столкнулись с этой квантовой странностью в эксперименте с двумя щелями. Фотоны не просто проходят через левую или правую щель: они каким-то образом ухитряются попробовать оба пути и на основе этих проб создают ту самую удивительную интерференционную картину, которую мы наблюдаем. Согласно теории Фейнмана, все возможные пути вносят вклад в вероятность перехода частицы из точки a в точку b. На конечном этапе пишется особое математическое выражение, представляющее все возможные пути между двумя точками, которое и даёт нам искомую вероятность. Вот всё это и составляет концепцию пропагатора.
Пропогатор фотона
Если бы в природе происходили только свободные движения электронов и фотонов, то в мире никогда бы не случалось ничего интересного. Но существует один процесс, в котором принимают участие электроны и фотоны и который в конечном счёте отвечает за все интересное. Вспомним, что происходит, когда электроны перемещаются из одного грозового облака в другое. Внезапно ночь превращается в день. Свет, излучаемый внезапным мощным электрическим разрядом, на мгновение ярко освещает небо. Откуда берётся этот свет? Ответ кроется в поведении отдельных электронов. Когда движение электрона внезапно прекращается, он может в ответ стряхнуть с себя фотон. Процесс, называемый излучением фотона, является основным событием квантовой электродинамики. Подобно тому как вещество строится из частиц, все процессы строятся из элементарных событий излучения и поглощения. Так, электрон, двигаясь в пространстве-времени, может внезапно испустить квант света. Весь видимый свет, а также радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучение – всё состоит из фотонов, которые были испущены электронами либо на Солнце, либо в нити накала лампочки, либо в радиоантенне, либо в рентгеновском аппарате. Таким образом, Фейнман добавляет к списку элементарных частиц второй список: список элементарных событий. И мы приходим ко второму виду фейнмановских диаграмм.
Фейнмановская диаграмма, соответствующая событию излучения фотона, называется вершинной диаграммой. Вершинная диаграмма выглядит как буква Y или как развилка дороги: электрон доходит до развилки и излучает фотон, после чего электрон отправляется по одной дороге, а фотон – по другой. Точка, в которой соединяются все три линии – событие излучения фотона, – называется вершиной.
Есть способ превратить фейнмановскую диаграмму в короткий фильм. Вырежьте из картона квадрат со стороной около 10 см и прорежьте в нём щель шириной около 2 мм. Теперь положите квадрат на рисунок фейнмановской диаграммы так, чтобы щель располагалась горизонтально. Двигая квадрат по рисунку снизу-вверх, вы увидите часть линии сквозь щель – это будет наш электрон. По достижении вершины электрон испустит фотон, и они начнут разлетаться в разные стороны. Двигая эту картонку над рисунком любой диаграммы, вы сможете наблюдать сквозь щель, как частицы движутся, сталкиваются, испускают и поглощают другие частицы, словом, делают всё то, что обычно положено делать элементарным частицам.
Если перевернуть вершинную диаграмму вверх ногами (но прошлое по-прежнему оставить внизу, а будущее вверху), то она будет описывать процесс сближения электрона и фотона и последующего поглощения фотона электроном.
Антивещество
Рисуя маленькую стрелку на пропагаторе электрона, Фейнман имел в виду вполне определённую цель. Каждый тип электрически заряженной частицы, будь то электрон или протон, имеет частицу-близнеца, а именно античастицу. Античастица во всём похожа на свою частицу-близнеца, за одним исключением: она имеет противоположный электрический заряд. Когда вещество встречается с антивеществом, берегись! Частица и античастица, объединяясь, исчезают (взаимоуничтожаются), высвобождая энергию в виде фотонов.
Античастица, парная электрону, называется позитроном. Казалось бы, следует расширить наш список частиц, добавив в него античастицы, но, согласно Фейнману, позитрон в действительности не является новым объектом. Он представляется как электрон, движущийся назад во времени! Пропагатор позитрона выглядит точно так же, как и пропагатор электрона, за исключением того, что стрелка на нём указывает в противоположную сторону: из будущего в прошлое.
Представлять позитрон как электрон, движущийся назад во времени, или электрон как позитрон, движущийся назад во времени, – зависит от вас. Это совершенно произвольное соглашение. Но в этом представлении можно интерпретировать вершинную диаграмму новым способом: например, считать, что она изображает позитрон, излучающий фотон.
Можно даже повернуть диаграмму на 90°, и тогда она будет изображать процесс аннигиляции электрона и позитрона, в ходе которого остаётся один фотон…
…или фотон, распадающийся на электрон и позитрон.
Комбинируя основные ингредиенты, пропагаторы и вершины, можно построить более сложные процессы. Вот, например, один из интересных вариантов.
Как бы вы интерпретировали эту диаграмму? Если взять картонку с прорезанной в ней щелью и начать двигать её над диаграммой снизу вверх, то мы увидим сначала электрон и фотон; затем фотон внезапно распадается на электрон и позитрон; позитрон сближается с первым электроном, и они аннигилируют, образуя фотон. В конечном итоге мы снова имеем один электрон и один фотон.
Фейнман предложил другой способ интерпретации этой диаграммы. С его точки зрения, электрон поворачивает вспять во времени, излучая фотон, затем движется в прошлое, поглощает фотон и снова поворачивает во времени в будущее. Оба способа интерпретации – позитроны и электроны либо электроны, движущиеся вспять во времени, – полностью эквивалентны. Вершины и пропагаторы: вот и всё, что есть в мире. Эти основные элементы могут быть скомбинированы бесконечным числом различных способов, позволяющих описать всю природу.
Но не упустили ли мы что-либо существенное? Объекты в природе действуют друг на друга посредством сил. Идея силы глубоко интуитивна – это одна из немногих физических сущностей, для понимания которых нет нужды обращаться к учебнику физики. Толкая камень, человек прикладывает к нему силу. Камень сопротивляется человеку, действуя на него с противоположной силой. Сила гравитационного притяжения удерживает нас на поверхности Земли, не давая улететь прочь. Сила магнита притягивает кусок железа. Сила статического электричества притягивает кусочки бумаги. Хулиганы сильнее ботаников. Идея силы является настолько основополагающей для нашей жизни, что эволюция, видимо, запрограммировала понятие силы в наших головах на уровне нейронных цепей. Но гораздо менее интуитивно понятным является тот факт, что все силы растут из притяжения и отталкивания между элементарными частицами.
Добавил ли Фейнман ещё один набор ингредиентов к своему рецепту: определённые правила для сил, действующих между частицами? Нет.
Все силы в природе появляются из так называемых обменных диаграмм, в которых фотон, испускаемый одной частицей, поглощается другой. Например, электрические силы, действующие между электронами, описываются фейнмановской диаграммой, в которой один электрон испускает фотон, который впоследствии поглощается другим электроном.
Обмен фотоном порождает электрическое отталкивание между электронами
Фотон, движущийся через пространство между электронами, порождает действующие между ними электрические и магнитные силы. Если электроны покоятся, то силы между ними чисто электростатические[23] и быстро уменьшаются с увеличением расстояния между зарядами по закону обратных квадратов. При движении электронов к электростатическим силам добавляются магнитные. И магнитные и электростатические силы выводятся из одних и тех же фейнмановских диаграмм.
Электроны не единственные частицы, которые могут излучать фотоны. На это способна любая электрически заряженная частица, в том числе и протон. Это означает, что фотонами могут обмениваться два протона или протон и электрон. Данный факт имеет огромное значение для науки и жизни в целом. Постоянный обмен фотонами между ядром и атомными электронами порождает силу, удерживающую атом от разрушения. Без этих снующих туда-сюда фотонов атомы разлетятся на составные частицы и всё вещество прекратит своё существование.
Чрезвычайно запутанные фейнмановские диаграммы – сеть вершин и пропагаторов – могут представлять сложные процессы с участием любого числа частиц. Таким образом, теория Фейнмана описывает всё вещество, от самых простых до самых сложных объектов.
Попробуйте различными способами подобавлять стрелки к пропагаторам на этой картине, превращая сплошные линии в электроны или позитроны.
Постоянная тонкой структуры
Различные уравнения и физические формулы содержат целый ряд различных числовых констант. Некоторые из этих констант представляют собой числа, заимствованные из чистой математики. Пример: число 3,14159…, более известное под своим греческим именем . Мы знаем значение до миллиардов десятичных знаков, причём не измеряя его, а вычисляя на основе чисто математического определения: – это отношение длины окружности к диаметру. Другие математические числа, такие как квадратный корень из двух и число, обозначаемое буквой e, тоже могут быть вычислены с бесконечной точностью, если только кто-нибудь захочет это сделать.
Но в физических формулах присутствуют и другие числа, которые не имеют специфического математического происхождения. Их можно назвать эмпирическими числами. Например, в ядерной физике используется очень важное соотношение между массой протона и массой нейтрона. Его численное значение известно до семи десятичных знаков: 1,001378. На сегодняшний день не известно способа вычислить следующие десятичные знаки чисто математическим путём. Необходимо отправиться в лабораторию и измерить их. Наиболее фундаментальные из этих эмпирических чисел удостоены звания «мировых констант». Постоянная тонкой структуры[24] – одна из таких мировых констант. Подобно , постоянная тонкой структуры обозначается греческой буквой (альфа). В популярной литературе часто приводится её приближённое значение 1/137. Её наиболее точное значение известно до одиннадцатого знака после запятой: 0,00729735257, и это одна из наиболее точно измеренных физических констант.
Постоянная тонкой структуры является примером величины, которые физики называют константами связи. Каждая константа связи ассоциирована в квантовой теории поля с одним из базисных событий, с определённым типом вершины на фейнмановской диаграмме. Константа связи является мерой силы или интенсивности взаимодействия, представленного вершиной соответствующего типа. В квантовой электродинамике основной тип вершин соответствует излучению фотона электроном. Рассмотрим более подробно, что происходит при излучении фотона.
Можно начать с вопроса: что определяет конкретную точку, в которой электрон, двигаясь в пространстве-времени, испускает фотон? Ответ заключается в том, что ничто не определяет, – физика на микроуровне непредсказуема. Природа содержит элемент случайности, который буквально сводил с ума Эйнштейна в его последние годы. «Бог не играет в кости!» – протестовал Эйнштейн.[25] Но независимо от того, нравилось ли это Эйнштейну, природа не является детерминированной. В природе, как я уже скзал, есть элемент случайности, который встроен в Законы Физики на самом глубоком уровне, и даже Эйнштейн ничего не мог с этим поделать. Но то, что природа не является детерминированной, вовсе не означает, что она полностью хаотична. Вот тут и выступают на сцену принципы квантовой механики. В отличие от ньютоновской физики, квантовая механика никогда не предсказывает будущее на основании информации о прошлом. Вместо этого она предоставляет очень точные правила для вычисления вероятности различных альтернативных результатов эксперимента. Нет никакой возможности предсказать окончательное местоположение фотона, который прошёл через щель, равно как не существует никакой возможности точно предсказать, в каком месте своей траектории электрон испустит фотон или в каком месте другой электрон сможет его поглотить. Но существует определённая вероятность для этих событий.
Хорошей иллюстрацией такой вероятности служит работа электронно-лучевой трубки старого телевизора. Свет, исходящий от телевизионного экрана, состоит из фотонов, рождаемых врезающимися в экран электронами. Электроны испускаются электронной пушкой в задней части кинескопа и направляются к экрану электрическими и магнитными полями. Но не каждый электрон, врезающийся в экран, излучает фотон. Некоторые излучают, а большинство – нет. Грубо говоря, вероятность того, что конкретный электрон испустит квант света, даётся постоянной тонкой структуры . Другими словами, только один из 137 электронов испускает фотон. Это означает, что – это вероятность того, что электрон, двигаясь вдоль своей траектории, соблаговолит излучить фотон.
Фейнман не просто рисовал картинки. Он изобрёл набор правил для расчёта вероятностей сложных процессов, изображённых на этих картинках. Иными словами, он изобрёл точный математический аппарат, который предсказывает вероятность любого процесса в терминах простейших событий: пропагаторов и вершин. В конечном итоге вероятности всех процессов в природе сводятся к константам связи, подобных .
Постоянная тонкой структуры также управляет интенсивностью процессов, представленных обменной диаграммой, которая, в свою очередь, определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами. Она определяет, насколько сильно атомное ядро притягивает к себе электроны. Как следствие, она определяет размер атома и скорости, с которыми электроны движутся по своим орбитам, и в конечном итоге она управляет силами, действующими между различными атомами, которые позволяют им соединяться в молекулы. Но самое важное то, что мы не знаем, почему она имеет значение 0,00729735257, а не какое-то другое. Законы Физики, обнаруженные в XX веке, оказались очень точными и полезными, но происхождение этих законов остаётся загадкой.
Теория этого упрощённого мира электронов, фотонов и точечных ядер и есть квантовая электродинамика, и её фейнмановская версия оказалась невероятно успешной. С помощью разработанных Фейнманом методов свойства фотонов, электронов и позитронов были описаны с удивительной точностью. Кроме того, если в теорию добавить упрощённый вариант ядра, то с такой же невероятной точностью удаётся описать и свойства простейшего атома – атома водорода. В 1965 году Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и японский физик Син-Итиро Томонага получили за работы по квантовой электродинамике Нобелевскую премию.
Конец первого акта.
Если в первом акте театральное действие ограничивалось только двумя персонажами, то во втором акте разворачивается на сцене эпическое полотно с сотнями актёров. Новые частицы, обнаруженные в 1950-х и 1960-х годах, пополнили ряды неуправляемой театральной массовки и на сцене, помимо электронов и фотонов, появились нейтрино, мюоны, тау-лептоны, u-кварки, d-кварки, странные кварки, очарованные кварки, b-кварки, t-кварки, глюоны, W– и Z-бозоны, бозоны Хиггса и другие действующие лица. Никогда не верьте тому, кто говорит, что физика элементарных частиц элегантна. Эта сборная солянка названий частиц отражает такое же нагромождение масс, электрических зарядов, спинов и других свойств. Но, несмотря на обилие и разнообразие действующих лиц, мы знаем, как описать их поведение с огромной точностью. «Стандартная модель» – это название математической конструкции (особого варианта квантовой теории поля), которая лежит в основе современной теории элементарных частиц. Хотя она гораздо сложнее квантовой электродинамики, фейнмановские методы настолько мощные, что и в этот раз они позволяют выразить всё в виде простых картинок. Принципы точно такие же, как в КЭД: всё построено из пропагаторов, вершин и констант связи. Но есть новые актёры и совершенно новые сюжетные линии, одна из которых называется КХД.
Квантовая хромодинамика
Много лет назад я был приглашён в один знаменитый университет прочитать серию лекций на модную тему, называемую квантовой хромодинамикой. Проходя коридорами физического университета, я услышал, как пара студентов обсуждала название моей лекции. Один, рассматривая объявление о лекции на информационном стенде, спросил: «И о чём это всё? Что такое квантовая хромодинамика?» Второй, подумав и почесав в затылке, ответил: «Хм… это, должно быть, новый способ использования квантовой механики для обработки фотографий».
Квантовая хромодинамика (КХД) не имеет дела ни с фотографией, ни даже со светом. КХД – это современная версия ядерной физики. Обычная ядерная физика начиналась с протонов и нейтронов (нуклонов), но КХД шагнула гораздо глубже. Вот уже более сорока лет известно, что нуклоны не являются элементарными частицами, они скорее похожи на атомы или молекулы, только в гораздо меньших масштабах. Если бы мы смогли заглянуть внутрь протона при помощи чрезвычайно мощного микроскопа, то увидели бы, что он состоит из трёх кварков, связанных друг с другом струнами частиц, называемых глюонами. Теория кварков и глюонов – КХД – это более сложная теория, чем КЭД, и я не в состоянии описать её на нескольких страницах. Но основные факты не слишком сложны. Вот список её действующих лиц.
Шесть кварков
Во-первых – кварки. Существует шесть типов кварков. Для того чтобы отличить одни кварки от других, физики дали им причудливые имена: «u-кварк», «d-кварк», «странный кварк», «очарованный кварк», «b-кварк» и «t-кварк»,[26] или более лаконично, u-, d-, s-, c-, b– и t-кварки. Разумеется, нет ничего странного в странном кварке и очарованный кварк ничем не очарован, но глупые имена придают им немного индивидуальности.
Почему существуют шесть типов кварков, а не четыре или два? Да кто ж его знает! Теория с четырьмя или двумя типами кварков принципиально ничем не отличается от теории с шестью типами. Всё, что мы знаем, – это то, что математика стандартной модели требует, чтобы кварки входили в неё парами: u-кварк с d-кварком, очарованный со странным и t-кварк с b-кварком. Но причина тройной репликации простейшей теории с одним «верхним» и одним «нижним» кварком остаётся тайной. Хуже того: только u– и d-кварки играют существенную роль в обычных ядрах.[27] Если бы КХД была инженерным проектом, то присутствие в ней остальных кварков могло бы рассматриваться как экстравагантное разбазаривание ресурсов.
Кварки в некотором смысле похожи на электроны; они несколько тяжелее и имеют своеобразные электрические заряды. В качестве единицы электрического заряда в микромире обычно принимается заряд протона, которому приписывается значение +1. Заряд электрона равен заряду протона и противоположен по знаку: –1. Электрические заряды в этой системе единиц оказываются дробными. Например, «верхние» – u-, c-, и t-кварки – несут положительный заряд, равный двум третям заряда протона: +2/3. «Нижние» – d-, s– и b-кварки – имеют отрицательный заряд, равный одной трети заряда электрона: 1/3.
Протоны и нейтроны состоят каждый из трёх кварков. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Сложив электрические заряды кварков, мы получим электрический заряд протона:
2/3 + 2/3 – /3 = 1.
Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков. Аналогичным образом сложив заряды этих кварков, мы получим заряд нейтрона:
2/3 – 1/3 – 1/3 = 0.
Что произойдет, если мы попытаемся построить протон или что-то вроде протона, заменив d-кварк s-кварком? Такие объекты существуют – их называют странными частицами, но они не встречаются нигде, кроме физических лабораторий. И даже в лабораториях странные частицы – всего лишь мимолетные явления, они существуют краткий миг, прежде чем распасться на другие частицы. То же верно и в отношении частиц, содержащих очарованные кварки, t-кварки и b-кварки. Только из u-кварков и d-кварков могут быть собраны стабильные или долгоживущие объекты. Как я уже сказал, если странный, очарованный, b– и t-кварк внезапно будут удалены из списка элементарных частиц, вряд ли кто-нибудь это заметит.
А что относительно кварков, перемещающихся вспять во времени? Как и электрон, каждый кварк имеет свою античастицу. Антикварки могут быть собраны в антипротоны и антинейтроны. Когда-то, в самом начале истории Вселенной, когда температуры достигали миллиардов градусов, антинуклоны были столь же обильны, как обычные нуклоны. Но по мере охлаждения Вселенной античастицы почти полностью исчезли, оставив в мире только обычные протоны и нейтроны в атомных ядрах.
Глюон
Нуклоны подобны крошечным атомам, состоящим из кварков. Но сами по себе кварки не способны связать себя в нуклоны. Как и в случае атома, тут требуется еще один ингредиент для создания силы притяжения, «склеивающей» кварки вместе. В случае атома мы точно знаем, что представляет собой этот клей. Атом связывается в единое целое благодаря непрерывно летающим взад-вперед фотонам, обеспечивающим взаимодействие между электронами и ядрами. Но силы, генерируемые фотонным обменом, слишком слабы, чтобы связать кварки в плотную структуру нуклона – не забывайте, что нуклоны в 100 000 раз меньше атомов. Значит, нам нужна ещё одна частица, обеспечивающая более сильное взаимодействие, способное удержать кварки на столь малом расстоянии. Это частица очень метко названа глюоном.[28]
Основные события в любой квантовой теории поля всегда одни и те же: испускание одними частицами других. Фейнмановские диаграммы, описывающие эти события, всегда имеют форму вершинной диаграммы в виде буквы Y. Основные вершинные диаграммы для КХД выглядят точно так же, как вершинная диаграмма испускания фотонов, только с заменой электрона на кварк, а фотона на глюон.
Неудивительно, что источником сил, связывающих кварки в протонах и нейтронах, является обмен глюонами. Но есть два существенных различия между КЭД и КХД. Первое различие – количественное. Числовая константа, ответственная за эмиссию глюонов, не так мала, как постоянная тонкой структуры. Эта константа называется QCD (альфа-КХД), и она примерно в 100 раз больше, чем постоянная тонкой структуры, это является причиной того, что силы, действующие между кварками, гораздо сильнее электромагнитных. Поэтому КХД иногда называют теорией сильных взаимодействий.
Второе отличие – качественное. Глюоны ведут себя как клей, что всегда напоминает мне одну из сказок дядюшки Римуса: «Однажды Братец Кролик увидел на дороге смоляное чучело. Братец Кролик сказал: “Доброе утро”, но чучело ничего ему не ответило. Тогда Братец Кролик решил проучить чучело. Он ударил его кулаком, и кулак прилип к смоле. Тогда Братец Кролик боднул чучело головой, и голова тоже прилипла к смоле. Братец Кролик изо всех сил пытался освободиться, но смола просто растягивалась и тащила его лапы и голову обратно. Так он безуспешно боролся с “притяжением” смоляного чучела, пока его не выручил проходивший мимо Братец Медведь».
Читать бесплатно другие книги:
