Шон Кэрролл - Вселенная

* * *

Работая над последней главой этой книги, размышляя о моей покойной бабушке, вспоминая походы в церковь и на блинчики, я проголодался. Мой организм потребовал пополнить запасы свободной энергии. Под рукой не оказалось ни блинчиков, ни тем более клубничного сиропа, поэтому я пошёл и приготовил одно из любимых блюд моей бабушки, которое она делала на завтрак, — «птичье гнездо». Проще блюда не придумаешь: берёшь стопочку (она в доме бабушки и дедушки всегда находилась), вырезаешь по её донышку круглое отверстие в ломте хлеба, кладёшь это на сковороду и заливаешь туда яйцо. Желток плотно вжаривается в отверстие. Соль, перец, масло по вкусу, всё.

Объеденье. Мне нравится изысканная кухня, и, хотя это блюдо было другого сорта, оно пришлось кстати. Прекрасные воспоминания, простые вкусы и запахи, простое удовольствие стряпни для себя. Это жизнь — тонкая плёнка ощутимого, реального восприятия мира.

Я тоскую по бабушке, но не стремлюсь думать, что где-то она живёт до сих пор. Она живёт в воспоминаниях, но когда-нибудь и их не останется. Жизнь изменчивая и преходящая — и это не какая-то её часть, которую мы с неохотой вынуждены принимать, а самая суть, позволяющая нам рассчитывать, что будет дальше. Я бережно отношусь к моим воспоминаниям, надеждам на будущее, ценю жизнь большого мира и ту жизнь, которую провожу сам вместе с женой, — жену я люблю больше, чем все галактики в небесах. Неизменно люблю разгадывать загадки о природе реальности.

У каждого своя жизнь, некоторым выпадут тяготы, о которых другие никогда не узнают. Но все мы живём в одной Вселенной, подчиняемся одним и тем же законам природы, решаем общую фундаментальную задачу — ищем смысл и значение для себя самих и для тех, кто оказался рядом с нами в краткий период, который нам предстоит прожить в этом мире.

Три миллиарда сердцебиений. Часы идут.

Весь мир, который мы воспринимаем на уровне повседневного опыта, основан на Базовой теории: это квантовая теория поля, описывающая динамику и взаимодействия определённого множества материальных частиц (фермионов) и силовых частиц (бозонов). Базовая теория включает в себя как стандартную модель физики частиц, так и эйнштейновскую общую теорию относительности (в приближении слабого гравитационного поля). Хотя при чтении этой книги данный материал не требуется, в приложении мы очень кратко рассмотрим некоторую специфику упомянутых полей и взаимодействий в рамках Базовой теории. Обсуждение будет сжатым (почти телеграфный стиль), в нём вы встретите множество мудрёных словечек, терминов и странных идей. Считайте приложение дополнительным материалом, который можно либо пропустить, либо прочитать на закуску, раз уж вы добрались до самого конца.

Краеугольным камнем нашей дискуссии будет единственная формула — фейнмановский интеграл по траекториям, описывающий Базовую теорию. В этой формуле содержится всё, что нам известно о квантовой динамике этой модели: какова вероятность того, что при наличии определённой конфигурации полей эти поля впоследствии примут какую-то другую конфигурацию? Если узнать это, то можно рассчитать любые интересующие нас явления, относящиеся к Базовой теории. Такое уравнение заслуживает места на футболке.

* * *

Существует два вида квантовых полей: фермионные и бозонные. Фермионы — это материальные частицы; они занимают место в пространстве, поэтому пол под ногами или стул, на котором вы сидите, твёрдые. Бозоны — это силовые частицы, несущие энергию; они могут нагромождаться друг на друга, порождая макроскопические силовые поля, например гравитационное и электромагнитное. Полный список частиц, согласно Базовой теории, выглядит следующим образом.

Фермионы

1) электрон, мюон, тау (электрический заряд −1);

2) электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино (нейтральные);

3) u -кварк, очарованный кварк, топ-кварк (заряд +2/3);

4) d -кварк, странный кварк, прелестный кварк (заряд −1/3).

Бозоны

1) гравитон (гравитация; искривление пространства–времени);

2) фотон (электромагнетизм);

3) восемь глюонов (сильное ядерное взаимодействие);

4) W - и Z -бозоны (слабое ядерное взаимодействие);

5) бозон Хиггса.

В квантовой теории поля требуется не слишком много информации, чтобы описать свойства определённого поля или — что равноценно — частицы, с которой оно связано. У каждой частицы имеются масса и спин. Можно уподобить элементарные частицы маленьким волчкам с той оговоркой, что эти частицы (представляющие собой миниатюрные вибрации квантового поля) на самом деле вообще не имеют размера. Спин — неотъемлемое свойство частицы, а не поворот её «корпуса» вокруг оси. Все частицы, связанные с конкретным полем, обладают одним и тем же спином; так, например, спин всех электронов равен −1/2, а спин всех гравитонов равен −2.

Взаимодействие частиц друг с другом зависит от их заряда . Слово «заряд» без уточнений — это краткое обозначение электрического заряда, но другие взаимодействия — гравитация и ядерные силы — также характеризуются зарядами. Заряд частицы позволяет понять, как она взаимодействует с полем, которое связано с соответствующей силой. Так, электроны, имеющие электрический заряд −1, напрямую взаимодействуют с фотонами, которые переносят электромагнитное взаимодействие; нейтрино, чей заряд равен нулю, вообще не вступают в непосредственные взаимодействия с фотонами (но могут взаимодействовать косвенно, поскольку нейтрино вступают в контакт с электронами, а те — с фотонами). Фотоны сами по себе нейтральны, поэтому они не взаимодействуют друг с другом.

Гравитационный «заряд» — это просто энергия частицы, равная произведению массы на скорость света в квадрате, когда частица находится в покое. У каждой отдельной частицы есть гравитационный заряд; Эйнштейн учил, что гравитация универсальна. Все известные нам фермионы проявляют слабое ядерное взаимодействие, то есть они взаимодействуют с W - и Z -бозонами. Половина известных нам фермионов взаимодействует с глюонами, проявляющими сильное ядерное взаимодействие; эти фермионы называются кварками ; остальные фермионы такого взаимодействия не проявляют, и мы называем их лептонами . Существуют u -кварки с (электрическим) зарядом +2/3 и d -кварки с зарядом −1/3. Сильное взаимодействие — настолько сильное, что кварки и глюоны оказываются упакованы внутри элементарных частиц (например, протонов и нейтронов), поэтому мы никогда не наблюдаем их непосредственно. Заряженные лептоны — это электрон и аналогичные ему более тяжёлые частицы мюон и тау. С каждой из этих частиц связано нейтрино отдельного вида, названные электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.