Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Культовые сооружения воплощают стремления их архитекторов и общин, которые те представляют, к идеальной красоте. Их избранные выразительные методы включают цвет, геометрию и симметрию. В частности, рассмотрим великолепную вклейку HH. Здесь локальная геометрия окружающих поверхностей и локальная структура их цвета меняются по мере того, как их исследует наш взор. Это живое воплощение анаморфии и анахромии – тех самых мотивов, которые наше исследование фундаментального устройства Природы находит воплощенным в Ее сердцевине.

Воплощает ли мир красивые идеи? Вот он, наш ответ, у нас перед глазами: да!

Цвет и геометрия, симметрия, анахромия и анаморфия как самоцель являются лишь одним ответвлением художественной красоты. Существующий в искусстве ислама запрет на изображение людей сыграл важную роль в том, чтобы выдвинуть эти формы красоты на передний план, точно так же, как сыграло ее физическое ограничение структурной устойчивости (нам нужны колонны, чтобы поддерживать вес потолков, и арки с куполами, чтобы распределять напряжение). Изображения человеческих лиц, тел, эмоций, пейзажей, исторических сцен и тому подобного, когда они разрешены, становятся темами произведений искусства гораздо чаще, чем эти строгие формы красоты.

Мир, в его фундаментальном устройстве, не воплощает все формы красоты, причем он не воплощает как раз те формы, которые людям без специального образования или очень необычного вкуса кажутся самыми привлекательными. Но мир в его фундаментальном устройстве воплощает некоторые формы красоты, которые высоко ценились сами по себе и интуитивно связывались с божественным.

Наша медитация над квантовой реальностью уже показала, что мир вещества, с которым мы сталкиваемся каждый день, будучи правильно понят, воплощает концепции необычайной красоты. Действительно, обычное вещество строится из атомов, которые являются в полном и точном смысле крошечными музыкальными инструментами. В их взаимодействии со светом претворяется в жизнь математическая Музыка Сфер, которая превосходит чаяния Пифагора, Платона и Кеплера. В молекулах и веществах упорядоченной структуры эти атомные инструменты играют вместе, подобно гармоничным ансамблям и синхронизированным оркестрам.

Найдя такие сокровища понимания, мы вдохновлены, чтобы копнуть еще глубже, уверенные в том, что еще не исчерпали эту жилу. Наши новые озарения дают удовлетворительный, но все же только частичный ответ на наш большой Вопрос. Они влекут нас дальше, так как наши ответы рождают новые вопросы, такие как:

• Что такое атомные ядра?

• Зачем существуют электроны?

• Зачем существуют фотоны?

В двух последних главах мы обсудим эти вопросы и другие, к которым они нас ведут. Наши исследования приведут нас к границам современного понимания, а дальше нам придется сделать несколько больших шагов за их пределы. Мы откроем новые понятия и факты, которые основываются на наших предыдущих темах, но также и выходят за их рамки. По мере приближения к сути вопроса мы откроем новые виды красоты и получим представление о том, как они могли бы прийти к могучему единому целому. Мы в прямом смысле откроем, как в действительности красив наш мир, а затем – каким еще более красивым он мог бы быть.

Эта глава посвящена группе идей, которые мы используем в настоящее время для описания четырех основных взаимодействий Природы. Два из этих взаимодействий, гравитационное и электромагнитное, уже сыграли значительную роль в нашей медитации. Два других, так называемые сильное и слабое взаимодействия, были открыты только в начале XX в., когда физика примирилась с атомными ядрами.

Атомные ядра очень малы, и их трудно изучать. Их понимание стало длинным и тяжелым поиском, который был главным в фундаментальной физике большую часть XX в. и продолжает оставаться таковым. На какое-то время все стало очень сложно и запутано, но в конце концов Природа явила себя! Сегодня у нас есть теории сильного и слабого взаимодействий, которые достойны занять место рядом с ньютоновской (и эйнштейновской) теорией гравитации и электродинамикой Максвелла.

Как мы увидим в этой главе, понятия и уравнения, которые нам нужны для описания сильного и слабого взаимодействий, являются естественными и красивыми усовершенствованиями понятий и уравнений, которые появляются при описании гравитации и электромагнетизма. И наоборот, наше понимание сильного и слабого взаимодействий дает нам возможность по-новому посмотреть на более старые теории, заостряя внимание на общей для них для всех сути. Эта общая суть намекает на лежащее в основе более глубокое единство. В следующей главе мы увидим, насколько это объединение кажется созревшим для осуществления.

Господствующие теории сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий часто собирают вместе и называют Стандартной моделью. Как я уже упоминал во введении, эта обыденная фраза несет в себе слишком много скромности. Во-первых, «Стандартная модель» имеет привкус здравого смысла с сильными коннотациями зашоренного мышления и недостатка воображения. Во-вторых, «Стандартная модель» звучит почти как «эмпирическое правило», наводя на мысль о какой-то сырой, наспех собранной конструкции. Ни один из этих привкусов и намеков не должен быть связан с одним из величайших достижений – я бы даже сказал, самым величайшим достижением – человеческой мысли и усилий. Поэтому я называю ее Главной теорией.

Главная теория выполняет план Ньютона по Анализу и Синтезу. В ней мы формулируем основные законы в виде точных утверждений, касающихся свойств и взаимодействий немногих стандартных блоков, и выводим поведение более крупных тел из этих основ. Мы приходим к материи, как мы ее знаем, во всем ее богатстве, от нескольких ингредиентов, чьи свойства и взаимодействия описаны нами точно и полностью.

Главная теория предоставляет надежный фундамент в виде физических законов для всех приложений физики в химии, биологии, материаловедении и инженерном деле вообще, в астрофизике и основных аспектах космологии. Ее основы были проверены с точностью много большей, чем нужна для этих приложений, и при более экстремальных условиях.

Главная теория действительно, как мы увидим, воплощает красивые идеи. Но эти идеи необычны и в то же время глубоко спрятаны. Необходимо некоторое развитие воображения и усердное терпение, чтобы постичь их красоту.

Проблема достижения подлинного понимания, в противоположность грубому пониманию и/или принятию желаемого за действительное, существовала всегда. Одна из немногих историй о Евклиде – скорее всего, недостоверная – рассказывает о том, как он ответил своему покровителю царю Птолемею I, когда тот спросил, есть ли более простой подход к геометрии, чем его Начала. Евклид якобы ответил: