Шон Кэрролл - Вселенная

А из чего состоят поля? Из ничего. Поля — это то, из чего образовано всё остальное. Конечно, может существовать и более глубокий уровень реальности, но он пока не найден.

* * *

Трудно не согласиться с тем, что все силы природы возникают из полей, заполняющих пространство. Наш старый знакомый Пьер-Симон Лаплас впервые показал, что ньютоновская теория тяготения может считаться описанием «поля гравитационных потенциалов», которое отталкивается и притягивается телами, движущимися во Вселенной. Теория электромагнетизма, сформулированная в XIX веке шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом и его современниками, даёт общее описание электрических и магнитных полей.

А что же частицы? Кажется, что частицы и поля диаметрально противоположны друг другу: частица находится в конкретном месте, а поле распределено повсюду. Мы же не будем утверждать, что такая частица, как электрон, возникает из некоего «электронного поля», заполняющего пространство?

Именно это мы и будем утверждать. Причём такую связь обеспечивает квантовая механика.

Фундаментальное свойство квантовой механики заключается в том, что, когда мы наблюдаем тот или иной феномен, он выглядит иначе, нежели в момент, когда мы его не наблюдаем. Когда мы измеряем энергию электрона, вращающегося вокруг ядра, мы получаем конкретный ответ, и этот ответ — один из некоторого множества допустимых вариантов. Однако когда мы не наблюдаем электрон, его состояние является суперпозицией всех этих возможных результатов.

С полями та же история. Согласно квантовой теории поля, существуют определённые базовые поля, из которых состоит мир, и волновая функция Вселенной — суперпозиция всех возможных значений, которые могут принимать эти поля. Если мы наблюдаем квантовые поля — очень внимательно, при помощи достаточно точных инструментов, — то видим отдельные частицы. В случае электромагнитного ноля эти частицы называются «фотонами», а частица гравитационного поля называется «гравитон». Мы ещё ни разу не наблюдали отдельный гравитон, поскольку гравитационное поле очень слабо и взаимодействует с другими полями, но базовая структура квантовой теории поля не оставляет сомнений в том, что гравитоны существуют. Если поле сохраняет постоянное значение во времени и в пространстве, то мы ничего не обнаруживаем, но, как только поле начинает вибрировать, мы можем наблюдать эти вибрации в виде частиц.

Существуют две основные разновидности полей и ассоциированных с ними частиц; эти частицы называются «бозонами» и «фермионами». Бозоны, например фотон и гравитон, могут сбиваться в кучи, образуя при этом силовые поля. Фермионы занимают место в пространстве; в любом месте в любое время может находиться только один фермион. Из фермионов, к числу которых относятся электроны, протоны и нейтроны, состоят материальные объекты, например вы, я, стулья, планеты; причём все тела, образованные из фермионов, кажутся твёрдыми. Два электрона, которые являются фермионами, не могут одновременно находиться в одном и том же месте; в противном случае объекты, состоящие из атомов, просто сколлапсировали бы, уменьшившись до микроскопических размеров.

* * *

Обычная материя, из которой состоим и вы, и я, и Земля, и всё, что вы видите вокруг, на самом деле слагается всего из трёх видов частиц и трёх типов взаимодействий. Электроны в атоме связаны с ядром посредством электромагнетизма, а само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе посредством ядерного взаимодействия. Разумеется, вся материя находится под действием гравитации. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из двух типов более мелких частиц: u -кварков и d -кварков. Кварки удерживаются вместе под влиянием сильного ядерного взаимодействия, обусловленного частицами, которые называются «глюоны». «Ядерное взаимодействие» между протонами и нейтронами — это своеобразная «отдача» сильного ядерного взаимодействия. Ещё есть слабое ядерное взаимодействие, обусловленное W -бозонами и Z -бозонами, благодаря которому все частицы могут взаимодействовать с последним неупомянутым фермионом — нейтрино. Четыре фермиона (электрон, нейтрино, u -кварки и d -кварки) — представители лишь одного поколения фермионов, а всего таких поколений три. Наконец, все эти частицы существуют в поле Хиггса, сообщающем массу всем частицам, которые её имеют.

Поля и ассоциированные с ними частицы, из которых состоит окружающий мир

На рисунке показана совокупность основных полей и ассоциированных с ними частиц. Это более подробная схема атома водорода, который мы уже рассматривали в главе 20. Два поколения более тяжёлых фермионов здесь не указаны, поскольку эти частицы обычно очень быстро распадаются. Только те частицы, что показаны на этом рисунке, существуют достаточно долго и образуют объекты окружающего мира. Полный набор частиц рассматривается в приложении.

* * *

Физики подразделяют наши теоретические представления об этих частицах и взаимодействиях на две великие теории: стандартную модель физики частиц , охватывающую все упомянутые здесь феномены, кроме гравитации, и общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию как кривизну пространства–времени. Нам недостаёт полной «квантовой теории гравитации» — такой модели, которая бы основывалась на принципах квантовой механики и согласовывалась с общей теорией относительности при рассмотрении явлений в «классическом» ключе. Теория суперструн — одна из многообещающих кандидатур на роль такой модели, но пока мы просто не умеем рассуждать о ситуациях, когда гравитация очень сильна — например, такая, как вскоре после Большого взрыва или внутри чёрной дыры, если говорить в терминах квантовой механики. Один из величайших вызовов настоящего времени, которым озабочены физики-теоретики со всего мира, — выработать такой способ рассуждения.

Однако мы не живём внутри чёрной дыры, да и Большой взрыв был достаточно давно. В нашем мире гравитация сравнительно слабая. Поскольку эта сила невелика, квантовая теория вообще обходится без описания гравитации. Вот почему мы не сомневаемся в реальности гравитонов: с учётом базовых свойств общей теории относительности и квантовой теории поля они неизбежно должны существовать, пусть у нас и нет исчерпывающей теории квантовой гравитации.

Область применения квантовой гравитации в том виде, как мы её сегодня понимаем, охватывает всё разнообразие нашего повседневного опыта. Соответственно, нет никаких причин и далее отделять стандартную модель и общую теорию относительности друг от друга. Что касается физики той материи, которую вы видите вокруг, вся она отлично описывается одной большой квантовой теорией поля. Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек назвал её Базовой теорией ( Core Theory ). Это квантовая теория поля, описывающая кварки, электроны, нейтрино, все семейства фермионов, электромагнетизм, гравитацию, ядерные взаимодействия и поле Хиггса. В приложении она изложена более подробно. Базовая теория — не самое изящное произведение, когда-либо родившееся в воображении у физика, но она удивительно успешно подтверждается практически во всех экспериментах, которые когда-либо ставились в лабораториях у нас на Земле. (Как минимум по состоянию на середину 2015 года, неожиданных сюрпризов никто не отменял.)