2020-08-05
259
Как мы знаем из главы 6, в 1915 году Эмми Нётер доказала, что три великих физических закона сохранения: линейного момента, момента импульса и энергии — автоматически подчиняют себе любую теорию, которая включает трансляционную симметрию пространства, вращательную симметрию пространства или трансляционную симметрию времени соответственно. Законы сохранения не ограничивают возможности поведения вещества в том виде, в каком эти законы обычно описываются на уроках и в учебниках по физике. Они ограничивают возможности физиков. Бели физик хочет создать модель, которая будет работать в любой точке времени и пространства и под любым углом, у него нет выбора. Такая модель автоматически будет заключать в себе три закона сохранения.
Хотя стандартная модель элементарных частиц далеко ушла от оригинальной работы Нётер, она подтвердила общую идею о том, что важнейшая составляющая известных нам законов физики заключается просто в требованиях логики, накладываемых на наши модели, чтобы сделать их объективными, то есть независимыми от точки зрения какого-либо наблюдателя. В моей книге «Постижимый космос» (The Comprehensible Cosmos) я назвал этот принцип инвариантностью точки зрения и доказал, что практически всю классическую и квантовую механику можно вывести из него{219}.
Подзаголовок этой книги звучит так: «Откуда появились законы физики?» Ответ: они не появились ниоткуда. Они представляют собой либо метазаконы — необходимые требования симметрии, которые сохраняют инвариантность точки зрения, либо внутренние законы — случайности, происходящие, когда какая-нибудь симметрия спонтанно нарушается при определенных условиях. Заметьте, если существует множество вселенных, все они должны иметь общие метазаконы, но внутренние законы могут быть разными.
Хоть это и не общепризнанный факт, обнаруженную Нётер связь между симметриями и законами можно распространить с пространства-времени на абстрактное внутреннее пространство квантовой теории поля. Теории, основанные на этой концепции, называются калибровочными теориями. В начале XX века ученые доказали, что закон сохранения электрического заряда и уравнения Максвелла для электромагнитного поля можно напрямую вывести из одной и той же калибровочной симметрии.
В конце 1940-х калибровочную теорию применили в квантовой электродинамике — квантовой теории электромагнитного поля, описанной ранее. Впечатляющий успех этого подхода, благодаря которому удалось сделать самые точные прогнозы в истории науки, позволял предположить, что другие силы также можно вывести из симметрии. В 1970-х годах Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг, работая преимущественно независимо друг от друга (они, должно быть, читали одни и те же работы), открыли калибровочную симметрию, которая позволяла объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие. Это стало первым шагом к разработке теоретической стороны стандартной модели. В 1979 году эти трое разделили Нобелевскую премию по физике.
Позвольте мне объяснить, что имеется в виду под объединением двух взаимодействий (двух сил). До Ньютона считалось (говоря современным языком), что существует один закон тяготения для Земли, а другой — для небес. Ньютон объединил их, доказав, что в основе лежит одна и та же сила, которая описывает движение как яблок, так и планет в рамках единого закона всемирного тяготения. В XIX веке считалось, что электричество и магнетизм — это две разные силы, пока Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл не объединили их в одну силу, названную электромагнитной.
Однако электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия едва ли походили на единую силу на том уровне энергии, который был доступен нам на ускорителях частиц до совсем недавнего времени. Электромагнитная сила способна пересечь Вселенную, о чем свидетельствует тот факт, что мы можем увидеть галактики, которые находились в более чем 13 млрд. световых лет от Земли, когда испустили наблюдаемый нами свет. Максимальное расстояние, которое способно преодолеть слабое взаимодействие, составляет всего около 1/1000 диаметра ядра. Нужно недюжинное воображение, чтобы предположить, что они могут представлять собой одну и ту же силу! Помнится, Фейнман особенно сомневался в этом.
На диаграмме Фейнмана взаимодействие происходит путем обмена частицами, чья масса обратно пропорциональна радиусу взаимодействия. Поскольку радиус электромагнитного взаимодействия, похоже, не имеет пределов, его носитель, фотон, должен иметь массу, очень близкую к нулю. На деле же, согласно принципу калибровочной инвариантности, масса фотона в точности равна нулю. В то же время частицы, являющиеся переносчиками слабого взаимодействия, должны иметь массу 80,4 или 90,8 ГэВ. Это значит, они почти на два порядка массивнее протона (0,938 ГэВ).
Согласно модели Салама — Глэшоу — Вайнберга, при энергии, примерно равной 100 ГэВ (теперь известно, что это значение равно 173 ГэВ), электромагнитное и слабое взаимодействие объединяются. При более низкой энергии симметрия спонтанно, то есть случайным образом, разделяется на две разные симметрии: одна соответствует электромагнитному, а вторая — слабому взаимодействию. Фотон все так же не имеет массы, в то время как три слабых бозона — W+ и W-, имеющие электрические заряды +е и - e соответственно, и электрически нейтральный Z-бозон — имеют массу, обусловленную коротким радиусом слабого взаимодействия.
При нарушении электрослабой симметрии слабые бозоны, как и лептоны, получают массу благодаря механизму Хиггса, который впервые предложили в 1964 году шесть авторов: Питер Хиггс из Эдинбургского университета, Роберт Браут (ныне покойный) и Франсуа Энглер из Брюссельского свободного университета, Джеральд Гуральник из Брауновского университета, Дик Хаген из Рочестерского университета и Том Киббл из Имперского колледжа Лондона — в трех независимых работах, опубликованных задолго до появления стандартной модели{220}. Процесс был назван в честь лишь одного из шестерых — скромного британского физика Питера Хиггса, к его великому смущению.
Согласно механизму Хиггса безмассовые частицы обретают массу, разбрасывая в стороны частицы с нулевым спином, называемые бозонами Хиггса. Этот механизм стал неотъемлемой частью стандартной модели, которая была разработана спустя 10 лет.
По сути, это можно представить так: Вселенная — это среда, наполненная массивными частицами Хиггса, которые то существуют, то перестают существовать. Когда элементарная частица с нулевой массой пытается пролететь сквозь эту среду на скорости света, она отскакивает от частиц Хиггса, так что ее продвижение через среду замедляется. Таким образом происходит фактическое увеличение инерции, а масса представляет собой меру инерции тела.
Стандартная модель прогнозирует, чему в точности будут равны массы слабых бозонов: 80,4 ГэВ для Ws и 90,8 ГэВ для Z. Она также предсказывает существование слабых нейтральных токов, упомянутых в главе 10 в связи с их ролью во взрывах сверхновых, которые появляются вследствие обмена незаряженными Z-бозонами. В 1983 году эти прогнозы были блестяще подтверждены.
Полная стандартная модель, включающая как сильное, так и слабое взаимодействие, основывается на объединенной группе симметрии. Сильное взаимодействие рассматривается отдельно, а его переносчики, как уже упоминалось, — это восемь безмассовых глюонов. Небольшой радиус сильного взаимодействия — порядка 10-15 м — обусловлен не массами глюонов, которые равны нулю, однако нет нужды углубляться в этот вопрос.
К концу XX века эксперименты на ускорителях частиц обеспечили достаточное эмпирическое подтверждение стандартной модели при энергии меньше 100 ГэВ, а также измерения ее 20 или около того настраиваемых параметров, в некоторых случаях невероятно точные. Модель согласуется с данными всех наблюдений, проведенных в физических лабораториях за десятилетия, прошедшие с момента ее появления.
4 июля 2012 года результаты двух экспериментов стоимостью в миллиарды долларов с участием тысяч физиков, работавших на БАК в ЦЕРНе, показали независимо и с большой степенью статистической значимости, что были обнаружены сигналы в массовом диапазоне 125–126 ГэВ, соответствующие всем условиям, которым должен отвечать бозон Хиггса в стандартной модели. Двое из шести ученых, предположивших его существование, Питер Хиггс и Франсуа Энглер, разделили в 2013 году Нобелевскую премию по физике.
Разумеется, как это всегда бывает с моделями, стандартная модель не ставит точку в физике частиц. Но с подтверждением существования бозона Хиггса и появлением более мощных источников энергии мы окончательно готовы перейти на следующий уровень понимания базовой природы вещества и, как мы вскоре увидим, глубже проникнуть в суть Большого взрыва. В настоящее время мощность БАК повышают до 14 ТэВ, но придется подождать еще год или два, чтобы выяснить, что нового он позволит нам узнать о физике на этом уровне.
На момент написания книги у нас уже имеются и данные, и описывающая их теория, которые предоставляют нам надежную информацию о физических процессах, протекавших во Вселенной на этапе, когда ее температура равнялась 1 ТэВ (1016 градусов), то есть тогда, когда ее возраст был всего 10-12 с (одна триллионная).
Частицы или поля?
Теория относительности, квантовая механика и выведенные из них квантовая теория поля и стандартная модель входят в список наиболее успешных научных теорий всех времен. Они согласуются со всеми эмпирическими данными, во многих случаях с невероятной точностью. Тем не менее, если вы следите за популярными научными СМИ, у вас может появиться впечатление, что эти теории находятся в серьезном кризисе, поскольку никто не может удовлетворительно объяснить, что же они «на самом деле значат».
Этим ощущением кризиса пользуются шарлатаны, убеждая множество простодушных обывателей в том, что «новая реальность» современной физики разрушила старую материалистическую редукционистскую картину мира, а на ее месте возникла холистическая реальность, в которой фундаментальной субстанцией Вселенной является разум — вселенское космическое сознание. Я называю такой подход квантовым мистицизмом{221}. К сожалению, некоторые физики-теоретики непреднамеренно поддерживают эту новую метафизику, воскрешая собственные мистические представления о реальности. Типичный пример приводит Дэвид Тонг в своей статье, вышедшей в декабре 2012 года в журнале Scientific American:
«В физике принято учить, что “кирпичики” природы — это дискретные частицы, такие как электрон или кварк. Но это ложь. Кирпичики наших теорий — не частицы, а поля: непрерывные, похожие на жидкость объекты, разливающиеся в пространстве»{222}.
Такой подход сильно сбивает с толку. Никому до сих пор не удавалось наблюдать квантовое поле. Однако мы наблюдаем то, что всегда получается просто и точно описать как точечные частицы.
Квантовые поля — это чистая абстракция, математические построения в рамках квантовой теории поля. В этой теории каждое квантовое поле имеет связанную с ним частицу, которая называется квантом поля. Фотон представляет собой квант электромагнитного поля. Электрон — это квант поля Дирака. Бозон Хиггса — квант поля Хиггса. Другими словами, как в любви и браке, один не может существовать без другого. Кирпичики наших теорий — и частицы, и поля.
Но, заметьте, Тонг называет ложью представление о том, что кирпичики природы представлены дискретными частицами, утверждая, что настоящими кирпичиками наших теорий являются поля. То есть он приравнивает окончательную реальность к математической абстракции в рамках наиболее модной современной теории. Это значит, что, когда сменится мода, реальность тоже изменится.
Тонг открывает нам свое понимание популярного среди современных физиков-теоретиков мнения. Физики считают, что символы их математических формул отражают истинную реальность, в то время как наблюдаемые нами феномены, всегда выглядящие как локализованные частицы, — это всего лишь способ, которым реальность проявляет себя. В общем, это современные платоники. Важно отметить, что такие великие ученые XX века, как Поль Дирак и Ричард Фейнман, не принадлежали к этой школе. Да и не все современные теоретики являются сторонниками «полевого платонизма».
В своей книге «Скрытая реальность», вышедшей в 2011 году, физик и знаменитый автор научно-популярной литературы Брайан Грин так высказался по поводу частиц и реальности:
«Я считаю, что физическая система полностью определяется тем, как скомпонованы частицы, из которых она состоит. Скажите мне, какие возможные конфигурации допустимы для частиц, составляющих нашу планету, Солнце, галактику и все остальное, и вы совершенно отчетливо опишете окружающую действительность. Такой редукционистский подход довольно широко распространен среди физиков, но тем не менее, конечно же, есть люди, думающие иначе»{223}.
Никто не утверждает, что нужно представлять частицы стандартной модели в виде классического миллиарда шариков. Но, как отмечает философ Майнард Кульман, квантовые поля также не стоит рассматривать как классические поля, такие как поля, описывающие плотность газа. Он пишет:
«Почему столь фундаментальная полемика может вестись по вопросам столь успешной эмпирически проверенной теории, как квантовая теория поля? Ответ лежит на поверхности. Хотя теория говорит нам, что мы можем измерить, она кажется туманной, когда дело касается природы любых сущностей, порождающих результат наших наблюдений. Теория объясняет наши наблюдения на языке кварков, мюонов, фотонов и различных квантовых полей, но она не говорит нам, что такое в действительности фотон или квантовое поле Она и не должна, поскольку физические теории могут быть эмпирически справедливыми в большинстве случаев без постановки таких метафизических вопросов».
Кульман описывает распространенную среди наиболее упрямых экспериментаторов позицию, хотя и не утверждает, что сам придерживается такого мнения. Он представляет все альтернативные точки зрения, со всеми «за» и «против».
Для многих ученых этого достаточно. Они занимают так называемую инструменталистскую позицию, отрицая, что научные теории предназначены прежде всего для того, чтобы отображать мироустройство. Для них теории — всего лишь инструмент для предсказания результатов экспериментов.
Другие же проявляют несколько большую гибкость.
Однако большинство ученых в глубине души полагают, что их теории все же описывают по крайней мере некоторые аспекты природы как таковой до тех пор, пока не будет проведено измерение. В конце концов, ради чего еще заниматься наукой, если не для познания мира?
Я добавлю только, что, если теория хотя бы в принципе не подразумевает какой-либо наблюдаемый эффект, она не может быть проверена и нам нет особого смысла считать, что она правильно моделирует действительность. Такая теория может представлять интерес с математической или философской точки зрения, однако ее положения будут не очень хорошими кандидатами на роль «аспектов природы».
Хоть я и не могу доказать, что частицы являются элементами окончательной реальности, по крайней мере то, что мы наблюдаем при проведении экспериментов, выглядит скорее как локализованные частицы, и это намного доступнее для понимания, чем трансцендентные квантовые поля. В конце концов, астрономические тела похожи на частицы, если смотреть на них с достаточно большого расстояния, но мы не подвергаем сомнению их реальность. Итак, с чисто практической точки зрения можно считать, что частицы реальны, пока данные наблюдений не скажут нам обратное.
Более того, как мы узнали из главы 6, волноподобные феномены, связанные с частицами в квантовой механике и квантовой теории поля, — это свойства не отдельных частиц, а их групп. Выражение «корпускулярно-волновой дуализм» неточно описывает данные наблюдений. Отдельная частица никогда не ведет себя как волна.
Часто можно услышать, что квантовая механика свергла редукционизм и заменила его новым холистическим подходом, в котором все вещи взаимосвязаны. Это не так. Физики, да и вообще все ученые, в частности врачи, продолжают делить материю на части, которые можно исследовать независимо. После короткого увлечения холизмом в 1960-е годы физики, впечатленные успехом стандартной модели, вернулись к редукционистскому методу, который так хорошо служил им в течение всей истории науки, от Фалеса и Демокрита до наших дней.
