Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

тех пределов, где различные силы становятся едины, изучая все более и более короткие отрезки. КЭД гласит, что электрон всегда окружен облаком виртуальных фотонов, а также виртуальных пар электрон-позитрон, которые постоянно появляются и исчезают вновь. Вся эта активность маскирует электрический заряд электрона и в итоге производит лишь тот заряд, который мы видим. Такими словами можно описать, как перенормировка справляется с бесконечностями. Здесь в роли бесконечности выступает сам заряд электрона, но он начинает расти, только когда мы увеличиваем масштаб, пробиваясь сквозь окружающую его вуаль виртуальных частиц.

Становясь все ближе к источнику электромагнитной силы, мы узнаем, что эта сила растет. С двумя ядерными силами – которые гораздо сильнее электромагнитной в диапазоне своего действия (внутри ядра) – происходит противоположное: на более коротких отрезках эти две силы становятся слабее. Когда мы достигаем расстояния (10–28 миллиметра), которое столь же мало в сравнении с размером протона, как протон мал относительно нас, мы обнаруживаем, что все три силы равны по модулю. Именно здесь они снова могут считаться одной силой и восстанавливается определенная симметрия.

Способная объединить три этих силы теория называется теорией великого объединения. Физики уже довольно давно пытаются вывести такую теорию, в которой бы все вставало на свои места. Она смогла бы заменить менее удобную стандартную модель, которая представляет собой небрежную комбинацию теории электрослабого взаимодействия и КХД. В 1970-х годах была решена особенно трудная проблема о том, что делать с масштабом, когда все три силы становятся равными. В той точке приближения, когда электромагнитная сила и слабое ядерное взаимодействие оказываются равными и в дело вступает электрослабая сила, сильное ядерное взаимодействие еще слишком сильно и симметрия остается нарушенной. Для истинной симметрии все три должны сравняться одновременно.

Тогда был открыт новый тип симметрии, который оказался еще более функциональным, чем тот, что был необходим для объединения электромагнитной силы и слабого ядерного взаимодействия. Он получил название «суперсимметрии» и стал математическим способом решения этой проблемы. По сути, он показывает симметрию, или связь, между электронами, нейтрино, фотонами и W – и Z-бозонами (частицами, описываемыми теорией электрослабого взаимодействия) с одной стороны и кварками и глюонами (частицами КХД) – с другой. Его основное предсказание заключается в том, что каждая из известных частиц имеет «суперсимметричного» партнера с противоположным характером. Следовательно, электрон соотносится с сэлектроном (бозоном), а фотон – с фотино (фермионом). Суперсимметрия также предсказывает, что протон может распадаться на позитрон и пион. Если бы этот процесс можно было засечь в природе, он стал бы убедительным свидетельством в пользу теории великого объединения. Пока распад протона не наблюдался, но, учитывая его редкость, всегда остается шанс, что его просто еще не успели заметить. Мы просто пока не знаем, можно ли сказать, что поведение природы суперсимметрично. Но, возможно, суперсимметрии уготована более фундаментальная роль и ей найдется применение в теории, на фоне которой все теории великого объединения покажутся незначительными.

Что насчет гравитации?

Мы ни о чем не забыли? Кажется несколько грубым, а то и вовсе неприемлемым называть объединение великим, если соответствующие теории намереваются включить в себя лишь три из четырех сил природы. Пока что я воздерживался от комментариев по поводу гравитации и ее места во всей этой картине. Не то чтобы никто не пытался вписать ее сюда – Эйнштейн, к примеру, посвятил последние тридцать лет жизни попыткам найти теорию поля, которая объединила бы электромагнетизм с гравитацией, но все его усилия оказались тщетными.

В некотором роде жалеть гравитационную силу не стоит. В конце концов, она описывается теорией, которую кое-кто считает более красивой, более применимой, даже более фундаментальной, чем любая квантовая теория поля, а именно общей теорией относительности. (Трубите, трубы, бейте, барабаны, и все такое.)

В своей специальной теории относительности Эйнштейн доказал, что абсолютного пространства и времени не существует, так как для двух наблюдателей расстояния и временные интервалы различаются. Разобраться в этом мы можем, только объединив пространство и время в четырехмерное пространство-время. В 1915 году Эйнштейн закончил работу над своим главным вкладом в науку. Общая теория относительности расширила специальную теорию, включив в нее гравитацию. Однако описание этой силы оказалось как нельзя меньше похоже на картину обмена частицами, которую дала нам для описания трех остальных сил квантовая теория поля. Эйнштейн описал гравитацию чисто геометрически. Все во Вселенной пытается притянуть все вокруг ближе. Но гравитационная сила в общей теории относительности объясняется кривизной самого пространства-времени. Чем больше масса тела, тем сильнее оно искривляет пространство и время вокруг себя.

Небольшая выборка барионов. Это частицы, которые состоят из кварков и подвержены сильному ядерному взаимодействию посредством обмена глюонами. Адроны состоят из трех разноцветных кварков, сдерживаемых глюонами. Мезоны представляют собой пары кварк-антикварк.

Все элементарные частицы можно разделить на две категории: частицы материи (фермионы) и частицы взаимодействия (бозоны).

Эксперименты доказали, что общая теория относительности поразительно верна. На сегодняшний день это лучшая теория природы пространства и времени – и копает она очень глубоко!

Теперь физики понимают, что для объединения четырех сил природы им необходимо найти способ объединить общую теорию относительности с квантовой теорией поля (а иначе говоря, с квантовой механикой)[61]. Проблема заключается в том, что две этих теории не имеют почти ничего общего, за исключением того факта, что на повседневном уровне они обе сводятся к ньютоновской физике. Они отклоняются от этой стартовой точки в разные стороны – одна занимается очень маленькими объектами и расстояниями (квантовая механика), а другая имеет дело с очень большими объектами и расстояниями (общая теория относительности). Но их математический аппарат очень сильно различается, что и делает их несовместимыми.

Тем не менее к концу XX века уже вовсю шли поиски теории всего, теории квантовой гравитации.

Урок Планка

Сегодня поиски теории квантовой гравитации, которая объединила бы все четыре силы, представляют собой чрезвычайно интересную область теоретических исследований. В оставшейся части этой главы я опишу связанные с ней основные идеи.

Занимающихся этой темой ученых можно условно разделить на два лагеря. Один лагерь утверждает, что квантовая механика содержит более фундаментальные идеи, поэтому начинать нужно с нее и искать способ включить в нее общую теорию относительности. Другой лагерь настаивает на обратном и предпочитает отталкиваться от общей теории относительности, включающей фундаментальные понятия пространства и времени, и пытается проквантовать ее. Само собой, есть и другие мнения: ряд физиков полагает, что ни одна из теорий не сможет пережить столкновения и обе нужно будет подвергнуть