[77]. Вместе эти законы работают как хорошо отлаженный механизм. Есть веские основания полагать, что «Ядро» — совокупность законов КЭД, КХД, гравитации и слабых сил — образует достаточно надежный фундамент для практического применения физики и останется таковым в обозримом будущем.
Одна из причин очевидна. Эти законы проверялись с гораздо большей точностью и в гораздо более разнообразных условиях, чем необходимо для их практического использования в химии, биологии, материаловедении и даже в астрофизике (за исключением космологии ранней Вселенной). Другая причина скорее теоретическая. Квантовые поля — мощный, но своенравный инструмент. Использовать их математически самосогласованно чертовски сложно. Если теряешь бдительность, сталкиваешься с не имеющими решений системами уравнений. Это придает «Ядру», основой которого являются квантовые поля, своего рода жесткость: его трудно изменить, не разрушив полностью.
К «Ядру» можно что-то добавить, но такое добавление должно либо включать новые формы материи, слабо связанные с известными нам, либо менять поведение элементарных частиц, но только при «нереализуемых» — то есть очень высоких — энергиях. Аксионы, о которых речь пойдет дальше, — один из примеров первой возможности. Теория суперструн, постулирующая, что наши элементарные частицы — на самом деле струны, относится ко второй[78]. Подобные новшества могут помочь выявить космологические и эстетические недочеты наших фундаментальных уравнений, но вряд ли как-то повлияют на их практическое применение.
Перефразируя Дирака, можно сказать «это всё, что есть, — для практических целей».
Само «Ядро» содержит семена своей трансцендентальности. Три из четырех теорий — КЭД, КХД и слабых сил — основываются на разного рода зарядах[79]. Есть поля, отвечающие зарядам, и поля, которые могут превращать одни заряды в другие, — например, цветные глюонные поля превращают цветной заряд одного вида в другой. У нас есть электрический заряд, три вида цветных зарядов и два слабых. Что может быть естественнее, чем задуматься о более общей модели, где все заряды трактуются единообразно и допускают взаимные превращения?
Эта привлекательная идея сталкивается с большими трудностями. Нет абсолютно никаких свидетельств, что подобные превращения возможны. Наоборот, если они и случаются, то редко. Если допустить превращение цветных зарядов в какие-то другие, то станет возможно превращение кварков в электроны, а протоны окажутся нестабильными. Но попытки зафиксировать распад протона пока ни к чему не привели.
С другой стороны, на примере теории слабого взаимодействия мы нашли способ спасти красивые уравнения, кажущиеся «слишком хорошими для этого мира». Мы можем представить себе более пустой мир, в котором они выполняются, а затем сделать из него наш, заполнив его подходящей субстанцией (конденсатом Хиггса[80]).
Можем ли мы и дальше следовать той же стратегии? Может ли различие зарядов быть обусловлено влиянием других космических сред, состоящих из более тяжелых и неуловимых частиц, подобных частицам Хиггса?
Есть прекрасный повод так думать. Он связан с еще одной ключевой идеей «Ядра»: асимптотической свободой — ослаблением сильного взаимодействия на малых расстояниях. Мы уже рассказывали об асимптотической свободе, не называя ее. Асимптотическая свобода была ключом к открытию КХД, и она же в большой степени — источник ее предсказательной силы. Используя те же приемы, можно рассчитать, как меняются с расстоянием другие силы. Результаты удивительны: мы обнаруживаем, что унификация достигается на чрезвычайно малых расстояниях. Напряженности всех четырех сил становятся равными, а это именно то, что в соответствии с нашими предположениями должно иметь место в единой теории поля. На малых расстояниях можно минимизировать влияние среды, с которой связано различие зарядов. Кажется, рассчитанные параметры позволяют заглянуть мельком в тот идеальный мир, который мы себе представляли[81]. Так туманные мечты Эйнштейна о единой теории поля стали конкретными и даже получили количественное выражение.
Увидеть всё в целом
Объективный мир просто есть, он не случается. Лишь для взора сознания, соединенного с моим физическим телом, часть этого мира мимолетно проявляется в пространстве и непрерывно меняется во времени[82].
В предыдущей главе идея о том, что «фундаментальные законы описывают изменения», была первым принципом, руководствуясь которым мы двигались к научному пониманию устройства мира. Этот принцип хорошо послужил нам. Настоящая глава посвящена фундаментальным законам «Ядра». Они сообщают нам, что происходит.
Но граница между тем, что есть и что происходит, не вполне жесткая. Сами вечные законы, касающиеся изменений, не меняются и не появляются, они просто есть. И благодаря выводам из них мы узнаем многое о непреходящих характеристиках бытия — или, другими словами, о том, что есть, несмотря на то что по формальным признакам они указывают только на то, что происходит.
Например, вы переходите эту границу, когда, задаваясь вопросом, что происходит, всесторонне изучаете материю. Вы обнаруживаете, что у нее есть несколько составляющих, каждая из которых обладает небольшим числом простых свойств. Спрашивая, что происходит, если объединить эти составляющие, и обнаруживая, что материя существует (есть) в виде ядер, атомов и молекул, заполняющих периодическую систему и справочники по физике и химии, вы опять пересекаете эту границу.
Вместе с тем, прежде чем начнется построение мира по законам «Ядра», необходимо определиться с состоянием Вселенной в какой-то момент. Эти законы не охватывают парадигму единства пространства и времени. Их рабочий материал — не то, что Вейль назвал «объективным миром», а только его срезы.
Общая теория относительности учит нас, что разделение пространства-времени на пространство и время неестественно. Космологическая теория большого взрыва, которой мы займемся в главе 6, говорит, что ранняя Вселенная была удивительно простой. Эти факты — явный намек на то, что следует искать более всеобъемлющие законы, позволяющие увидеть мир как единое целое.
Глава 5. Здесь много материи и энергии
В предыдущих главах, говоря об изобилии пространства и времени, мы пришли к четырем фундаментальным выводам. Во-первых, Вселенная невероятно богата. Во-вторых, мы можем пользоваться лишь малой частью ее богатств. В-третьих, для наших целей более чем достаточно и их. В-четвертых, мы даже эти богатства используем далеко не полностью — есть еще много возможностей для развития.
В новой главе мы исследуем изобилие материи и энергии и вновь придем к этим четырем фундаментальным выводам.
Начнем с некоторых сравнений, чтобы получить меру космической энергии в человеческих масштабах. Взрослый человек потребляет в среднем 2000 калорий в день. Примерно такая же энергия требуется для непрерывной работы 100-ваттной лампочки. За год это составляет 3 миллиарда джоулей. (Один джоуль энергии обеспечивает мощность в 1 ватт в течение одной секунды, а в году около 30 миллионов секунд.) Давайте назовем это «годовой энергией человека» — ГЭЧ. Из нее около 20% используется для поддержания деятельности мозга.
В 2020 году мировое потребление энергии составило примерно 1,9 × 1011, или 190 миллиардов ГЭЧ. Поскольку население Земли достигло около 7,5 миллиарда человек, на одного человека приходится примерно 25 ГЭЧ энергии. Это число — 25 — представляет собой отношение общей потребляемой энергии к количеству, используемому в процессе естественного метаболизма. Это объективная мера того, насколько далеко люди продвинулись в экономическом плане, не довольствуясь лишь прожиточным минимумом. В частности, американцы потребляют примерно 95 ГЭЧ на человека.
Энергии, которую наше Солнце вырабатывает за год, достаточно, чтобы обеспечить каждого человека примерно 500 триллионами ГЭЧ. Это намного больше, чем 25 и даже 95; таким образом, теоретически у нас остаются огромные возможности для экономического роста, если мы сможем осваивать больше энергии, вырабатываемой Солнцем.
Естественно, солнечный свет распространяется во всех направлениях. Чтобы получить больше того, что мы собираем сейчас, нам пришлось бы потратить много времени и ресурсов и разместить в космосе гигантские устройства для сбора солнечной энергии. Фримен Дайсон[83] с коллегами предложили инженерные решения подобных устройств, которые назвали сферами Дайсона.
Если мы скромно ограничимся той частью солнечной энергии, которая попадает на Землю сейчас, то обнаружим, что даже она примерно в 10 000 раз больше всего нашего нынешнего энергопотребления. Это число позволяет более реалистично оценить резервы солнечной энергии. Даже без сфер Дайсона у нас все еще есть огромный потенциал для роста.
Здесь мы рассмотрели солнечную энергию. Ранее мы пришли к выводу, что наше Солнце — лишь одна из многих звезд. Вселенная как целое обладает гораздо большим количеством энергии, чем люди в обозримом будущем смогут потребить. Пока мы можем лишь собирать крупицы этих сокровищ, чем и занимаются астрономы. Они если и не обогащают нашу экономику, то точно развивают наш разум.
Это еще раз доказывает: утверждение, что материи и энергии много, вполне объективно. Их более чем достаточно, чтобы создавать такие сложные и динамичные объекты, как человек, и обеспечивать ресурсами его чрезвычайно обширную повестку дня