+, W— и Z0-частицы, которые переносят слабое ядерное взаимодействие. Протон, нейтрон и все сотни сильно взаимодействующих частиц, обнаруженные после Второй мировой войны, в итоге оказались неэлементарными; они состоят из кварков, антикварков и глюонов. Речь не идет о том, что мы можем отделить кварки, антикварки и глюоны от этих неэлементарных частиц. Считается, что это невозможно. Точнее будет сказать, что кварки, антикварки и глюоны считаются элементарными, поскольку их поля фигурируют в уравнениях теории.
Единственной не ясной пока стороной Стандартной модели является механизм нарушения симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий, который придает W- и Z-частицам их массы. Если бы у W- и Z-частиц не было массы, то они имели бы всего два спиновых состояния, как у невесомого фотона с его правой и левой поляризацией, тогда как массивные частицы со спином 1 имеют три спиновых состояния; таким образом, нарушение симметрии, в результате которой W- и Z-частицы получают массу, добавляет дополнительные спиновые состояния W- и Z-частицам. Теории нарушения электрослабой симметрии можно разделить на две категории в зависимости от того, являются ли дополнительные квантовые состояния элементарными, как в исходной форме Стандартной модели, или составными, как в теориях техницвета. В некоторой степени основная задача, для решения которой проектировались Большой адронный коллайдер и злополучный Сверхпроводящий суперколлайдер, заключалась в том, чтобы окончательно решить вопрос, каким частицам соответствуют дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц — элементарным или составным[72].
На этом история могла бы закончиться, но с конца 1970-х гг. наше понимание квантовой теории поля сделало еще один поворот. Мы осознали, что любые частицы при достаточно низких энергиях могут быть описаны с помощью полей, входящих в так называемые эффективные квантовые теории, независимо от того, являются ли эти частицы элементарными или нет. Например, даже если поля нуклонов и пионов не появляются в уравнениях Стандартной модели, мы можем рассчитать скорости процессов с участием низкоэнергетических пионов и нуклонов с помощью эффективной квантовой теории поля, в которой фигурируют поля пионов и нуклонов, а не кварков и глюонов. В рамках такой теории пионы и нуклоны являются элементарными частицами, а атомные ядра — нет. Если мы используем теорию поля подобным образом, мы просто следуем общим принципам релятивистских квантовых теорий с учетом соответствующих симметрий; на самом деле мы не делаем никаких допущений о фундаментальных физических структурах.
С этой точки зрения мы имеем право говорить только о том, что кварки и глюоны «более элементарны», чем нуклоны и пионы, поскольку их поля фигурируют в Стандартной модели — теории, которая применима в более широком диапазоне энергий, чем эффективная теория поля, описывающая нуклоны и пионы при низких уровнях энергии. Мы не можем прийти к какому-то окончательному решению об элементарности самих кварков и глюонов. Стандартная модель является, вероятно, только эффективной квантовой теорией поля, приближением к более фундаментальной теории, для раскрытия деталей которой потребуются энергии частиц, намного превышающие возможности современных ускорителей, и возможно, в этой теории можно будет вообще обойтись без кварков, лептонов или калибровочных полей.
Есть вероятность, что кварки, лептоны и другие частицы Стандартной модели сами состоят из еще более элементарных частиц. Тот факт, что мы не видим структуру кварков и лептонов, говорит только о том, что энергия связи в этих частицах должна быть довольно высока — больше нескольких триллионов электронвольт. И на сегодняшний день никому пока не удалось разработать убедительную теорию для таких систем.
Мы не сможем дать окончательный ответ на вопрос, какие из частиц являются элементарными, пока у нас не будет окончательной теории взаимодействий и теории материи. Когда у нас появится такая теория, мы, возможно, обнаружим, что элементарные физические структуры вовсе не являются ни частицами, ни полями. Многие теоретики считают, что фундаментальная теория должна представлять собой что-то вроде теории струн, в которой кварки, лептоны и т. д. всего лишь различные моды колебаний элементарных струн. А определить какой-то один набор струн в качестве элементарных, кажется, невозможно в принципе, поскольку, как недавно стало понятно, разные теории струн с разными типами струн зачастую эквивалентны.
Из всего этого можно вынести один урок. Задача физики не в том, чтобы ответить на набор неизменных вопросов о природе, вроде вопроса об элементарных частицах. Мы не знаем заранее, как правильно сформулировать вопрос, и зачастую мы сможем это выяснить, только когда окажемся близки к ответу на него.
10. Всё ещё неизвестная Вселенная
В июле 2010 г. редактор журнала The New York Review of Books Роберт Сильверс обратился ко мне с просьбой написать рецензию на новую книгу Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Высший замысел» (The Grand Design, Bantam Books, 2011)[73]. Обычно я рецензирую книгу только в том случае, когда вижу, что это даст мне возможность высказаться по некоторой интересующей меня проблеме. Пролистывая присланный Сильверсом сигнальный экземпляр, я понял, что в книге рассматривается по-настоящему серьезный вопрос, который занимал меня многие годы: действительно ли то скопление галактик, которое мы наблюдаем вокруг нас, расширяется во всех направлениях на миллиарды световых лет и представляет собой всю Вселенную, или это лишь часть одной из множества подобных вселенных, составляющих Мультивселенную, в которой фундаментальные физические константы имеют различные значения и, возможно, даже сами законы природы принимают разные формы?
Мы не знаем, является ли гипотеза о Мультивселенной верной, но она не лишена смысла. Существует целый ряд гипотетических теорий (теория струн, инфляционная модель и т. п.), которые подразумевают существование Мультивселенной. Никто точно не знает, действительно ли мы живем в Мультивселенной, но если это так, то мы можем сделать важный вывод, который не зависит от того, какая фундаментальная теория лежит в ее основе. Очевидно, что, если физические константы и законы в разных вселенных отличаются, то те константы и законы, которые мы наблюдаем, должны обеспечивать возможность существования разумной жизни в соответствующей вселенной. Таким образом, если окажется, что наблюдаемые нами физические константы и законы идеально подходят для возникновения разумной жизни, тогда нам уже не нужно будет искать объяснение в виде некоторого благожелательного создателя; просто в Мультивселенной все именно так и должно быть. Подобные рассуждения были предложены в качестве возможного объяснения тому факту, что количество темной энергии намного меньше, чем можно было бы ожидать, руководствуясь любыми другими теориями.
Моя рецензия была опубликована в журнале The New York Review of Books 10 февраля 2011 г. Как отмечено в тексте рецензии, некоторых религиозных деятелей расстроила подобная «антропная» аргументация. Однако я не упомянул в рецензии, что расстроились и некоторые хорошие ученые. Я слышал, что Дэвид Гросс (один из создателей современной теории сильного ядерного взаимодействия, директор Института теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре) сказал о теории Мультивселенной: «Ненавижу ее». Причина понятна. Мы, физики, надеемся, что однажды поймем значение фундаментальных констант, исходя из первых основополагающих принципов, без привлечения антропных аргументов, которые никогда не дадут нам ничего лучше, чем диапазон ожидаемых значений. И я определенно разделяю эту надежду. А вот чего я не разделяю, так это опасений о том, что антропные аргументы слишком расслабят физиков и те откажутся от дальнейших поисков основополагающих принципов, которые смогут объяснить все, что мы наблюдаем. В недавней статье в Nature астроном из Гарварда Ави Лёб представил точку зрения, согласно которой антропный аргумент «сдерживает столь необходимые попытки объяснить темную энергию через альтернативную теорию, которая объединит квантовую механику и гравитацию»[74]. Я не знаю ни одного теоретика, который не предпочел бы такую альтернативную теорию антропному объяснению и согласился бы с тем, что нам нужно отказаться от дальнейших поисков такой теории. Да, это нелегкий поиск, и мы даже точно не знаем, существует ли то, что мы ищем.
В 1992 г. я вместе с другими физиками участвовал в лоббировании финансирования строительства мощного ускорителя элементарных частиц, Сверхпроводящего суперколлайдера. У нас родилась блестящая идея провести семинар для членов палаты представителей, на котором мы объяснили бы важность такой установки для научных исследований. На семинар пришли три конгрессмена. После нашего выступления представитель демократов из Мэриленда сказал нам, что поддержит суперколлайдер, если мы сможем заверить его в том, что это поможет работе Стивена Хокинга.
Этот эпизод показывает, что Хокинг как ученый достиг того уровня популярности, выше которого в XX в. удалось взобраться только Альберту Эйнштейну и, может быть, Мари Кюри и Ричарду Фейнману. Я не говорю, что слава Хокинга незаслуженная. Будучи еще совсем молодым человеком, он представил блестящую математическую работу (выполненную совместно с Роджером Пенроузом), в которой доказал, что, согласно ОТО, существуют условия, когда коллапс, то есть бесконечное сосредоточение энергии в бесконечно искривленном пространстве-времени, становится неизбежным. Позже он показал, что черные дыры излучают энергию, и теперь это излучение называется излучением Хокинга. Он был одним из первых, кто использовал квантовую механику для расчета свойств флуктуаций распределения энергии в ранней Вселенной, тех самых малых флуктуаций, которые в итоге привели к образованию галактик, наблюдаемых нами сегодня. Вс