Представим, что мы аналоговым способом перечислили все вариации кварка или электрона, мюона и тау-лептона. Самые легкие из них обладают массой порядка МэВ. Тау-лептон, очарованный кварк и прелестный кварк находятся в масштабе ГэВ (миллиардов эВ), а истинный кварк – сотен ГэВ. Может ли это быть признаком новой спектроскопии, основанной на «субкварках» и «сублептонах»?
Однако здесь не получается следовать по знакомому пути. К примеру, нет никаких признаков электромагнитных переходов (испускания или поглощения фотонов) между «тяжелыми» и «легкими» лептонами, хотя именно это произошло бы, если бы они представляли собой просто возбужденные состояния друг друга. В отношении кварков это тоже верно, хотя свидетельства здесь менее прямые. Кроме того, все эти частицы обладают одинаковым спином (половиной постоянной Планка), а в спектроскопии возбуждения обычно наблюдается весь диапазон значений спина. В дополнение к этому есть косвенные намеки, что существуют максимум три «поколения», в то время как простой спектр возбуждения включал бы в себя весь диапазон состояний. Наконец, их размер (если они вообще существуют) составляет менее 10-18 м, а в таком мизерном измерении их массы должны составлять порядка многих ГэВ, а не МэВ (в случае с верхним и нижним кварками и электроном).
Либо эти частицы действительно фундаментальны, либо здесь работает что-то за пределами традиционной квантовой механики. Любой из этих вариантов представляет чрезвычайный интерес. Похоже, в современном семействе «фундаментальных» частиц, включенных в стандартную модель, действительно есть кое-что новенькое.
Глава 8. В поисках теории всего
Чтобы понять структуру нашей Вселенной на самом глубоком уровне, физики ищут ответы на все вопросы и решают все загадки. Мы никогда не перестаем спрашивать почему:
Почему это случилось?
Из-за такого-то и такого-то эффекта.
Что вызвало этот эффект?
Взаимодействие этого тела вон с тем.
Почему они вступили во взаимодействие?
Потому что они оказались под влиянием такой-то и такой-то силы.
Каково происхождение этой силы?
И так далее. Однако, в отличие от детей, мы не можем удовольствоваться типичной отговоркой раздраженных родителей: «Потому что так повелел Бог!» Конечно, многие ученые верят в Бога, но это вряд ли хоть когда-то мешает им искать ответы на самые фундаментальные вопросы в их области исследования.
Физиков-теоретиков, однако, закапываться все глубже и глубже в сложные механизмы природы толкает не только жажда знаний. Они также ищут в природе различные паттерны и закономерности, которые проявляются в простоте и красоте математических уравнений. Некоторые великие умы порой даже отвергали теорию, если математика в ней была слишком уродливой или неуклюжей! При этом они могли сказать что-нибудь вроде: наверное, здесь что-то не так, природа точно не могла создать такую нелепицу. Если вы не математик и не физик, такая причина отказа от теории может показаться вам нелогичной, однако это работает. Поиски величайшей истины всегда являют собой поиски красоты и простоты. Кажется, что множество феноменов, которые мы наблюдаем вокруг, будь то на Земле или в свете далеких звезд, в конце концов объясняются удивительно малым количеством фундаментальных теорий. Вся классическая механика объясняется ньютоновскими законами о движении и силах, а теории относительности Эйнштейна развивают их; электричество и магнетизм представляют собой два проявления одной и той же электромагнитной силы; а поведение всех субатомных частиц, разумеется, объясняет квантовая механика.
Итак, физикам XX века нужно было не просто найти и классифицировать все фундаментальные частицы. Им необходимо было понять, почему эти частицы взаимодействуют друг с другом и каково происхождение возникающих между ними сил. А если во взаимодействии участвует несколько сил, то одинаково ли их происхождение? Квантовая механика 1920-х годов была лишь первым шагом к этому. Следовательно, история прогресса атомной и ядерной физики и физики частиц, которую я рассказал в предыдущей главе, неполна. Ведь в своем стремлении проникнуть в сущность материи и обнаружить ее фундаментальные кирпичики физики также не забывали искать в своих теориях простоту и симметрию. Священным Граалем физики стала величайшая теория всего, всемогущая теория, которая объясняла бы все естественным образом происходящие во Вселенной явления[58].
В этой главе мы увидим, какие продвижения были сделаны в этом направлении, и попытаемся понять, приближаемся ли мы наконец к открытию этой теории.
Квантовая теория света
До сих пор я упоминал корпускулярно-волновой дуализм только в отношении квантовых объектов, например электронов, которые ведут себя, как волны, когда мы за ними не наблюдаем, и как частицы, когда наблюдение установлено. Но волнообразный аспект связан с волновой функцией, а мне не хочется снова повторять противоречивые рассуждения о физическом смысле волновой функции. Когда речь идет о свете (и всех остальных формах электромагнитного излучения), волновой аспект довольно реален. У нас как будто появляется выбор считать свет физической волной или физическими частицами, в зависимости от того, как мы на него смотрим и какой феномен изучаем.
На самом деле появление квантовой механики не заставило физиков забыть о классической волновой теории света. Эта теория, во второй половине XIX века предложенная шотландцем Джеймсом Клерком Максвеллом, заключается в наборе уравнений, которые носят его имя. Максвелл показал, что свет состоит из комбинации электрического и магнитного полей, колеблющихся под прямыми углами друг к другу и распространяющихся на скорости 300 000 километров в секунду.
Важно отметить, что уравнения Максвелла согласуются со специальной теорией относительности. В отличие от уравнений движения Ньютона, которые необходимо модифицировать с учетом теории относительности, чтобы они давали верные результаты на скоростях, близких к скорости света, уравнения Максвелла верны сразу. Само собой, теория, которая описывала бы движение на скорости света (то есть движение самого света) и не сходилась бы при этом со специальной теорией относительности, привела бы к возникновению своего рода дилеммы. Напротив, квантовая механика в трактовке Гейзенберга и Шрёдингера со специальной теорией относительности не сходилась. Она могла лишь описывать поведение квантовых сущностей, например электронов, скорость движения которых гораздо ниже скорости света. Таким образом, подобно тому как движение классического тела, к примеру планеты или футбольного мяча, можно точно описать уравнениями Ньютона, но при приближении его скорости к скорости света требуются поправки, уравнение Шрёдингера тоже применимо только к медленно движущимся квантовым объектам. На релятивистских скоростях специальная теория относительности показывает, как величины, включая массу, импульс и энергию тела, начинают меняться. Следовательно, в крайнем случае значения этих величин в уравнении Шрёдингера необходимо заменить их релятивистскими версиями.
Объясню на примере, что это за собой влечет. Масса объекта косвенно указывает на содержащееся в нем количество «вещества». На самом деле в повседневной речи понятия массы и веса обычно взаимозаменяемы[59]. Таким образом, мы считаем массу постоянной величиной, которая не изменяется из-за движения тела. Однако специальная теория относительности гласит, что при приближении скорости тела к скорости света его масса начинает расти, пока на скорости света не становится бесконечной – именно поэтому ни один объект, обладающий массой в покое, не может перемещаться на скорости света. Всего через год после публикации оригинального уравнения Шрёдингера его независимо друг от друга переформулировали с учетом этих изменений Оскар Клейн и Уолтер Гордон, а также сам Шрёдингер. Но в новом уравнении обнаружилась довольно серьезная проблема: квантовые вероятности, которые оно предсказывало на основании волновой функции, могли принимать отрицательные значения! Как вообще понять фразу, что у электрона есть минус двадцать процентов вероятности оказаться в конкретном месте?
В 1928 году Поль Дирак опубликовал статью под заголовком «Квантовая теория электрона», в которой предложил альтернативное уравнению Шрёдингера уравнение. Оно не только было «полностью релятивистским», но и естественным образом учитывало спин электрона (а это было в то время очень важно, если с помощью этой теории планировалось объяснять новые экспериментальные результаты). Именно это уравнение привело Дирака к теоретическому предсказанию античастиц[60] и идее о рождении и аннигиляции пары электрон-позитрон.
Годом раньше, в 1927-м, Дирак также опубликовал прорывную статью, комбинирующую квантовую механику с теорией света Максвелла и предлагающую первую квантовую теорию фотона. В ней он «проквантовал» электромагнитное поле.
Затем он выяснил, как совместить две этих теории, одна из которых описывала электрон, а другая – фотон. В результате появилась теория квантовой электродинамики. Она стала первым примером так называемой квантовой теории поля и объяснила, как именно электроны испускают и поглощают фотоны, а также как два электрона отталкиваются друг от друга, обмениваясь фотоном.
Несмотря на многообещающее начало, в 1930-х и 1940-х квантовой теории поля пришлось нелегко, когда она столкнулась со множеством математических трудностей. Видите ли, в отличие от старой квантовой механики, она позволяла постоянное рождение и гибель виртуальных частиц – не забывайте, именно это получается при объединении принципа неопределенности Гейзенберга с уравнением Эйнштейна Е=mc2. Это означает, что определенные расчеты с применением теории приводили к бесконечным ответам. Я могу объяснить это на пальцах. Основная идея квантовой теории поля заключается в том, что нечто вроде электрического поля можно представить в виде множества виртуальных фотонов, которые все время то рождаются, то вновь исчезают. Следовательно, происходящий между двумя электронами обмен фотоном – это лишь простейший из возможных процессов. Изучая все более короткие расстояния, мы обнаружим, что на самом деле происходит гораздо больше. Например, этот виртуальный фотон по пути от одного электрона к другому может вдруг превратиться в виртуальную пару электрон-позитрон, которая быстро аннигилирует и вернет изначальный фотон на место, прежде чем он достигнет точки своего назначения. Однако за краткий период существования виртуальных электрона и позитрона они также смогут обменяться виртуальным фотоном, в результате чего могут родиться новые электрон и позитрон – и так далее. Остается лишь надеяться, что при расчетах вероятность этой более сложной активности можно игнорировать или она хотя бы будет становиться все менее значительной, однако это не так. При расчетах она приводит к бесконечным результатам.