Шон Кэрролл - Вселенная

1) она должна так слабо взаимодействовать с обычной материей, что такие частицы почти никогда не образуются, или

2) она может быть крайне массивной, поэтому может образоваться лишь при столкновениях столь высоких энергий, которые пока недостижимы даже в наших лучших ускорителях, или

3) она может быть исключительно короткоживущей, настолько, что, едва образовавшись, сразу распадается на другие частицы.

Если бы какая-то из необнаруженных нами частиц существовала достаточно долго и взаимодействовала с обычной материей настолько сильно, что это могло бы отражаться на физических явлениях окружающего мира, то мы бы уже получили её в экспериментах.

Считается, что ещё одна разновидность пока не открытых частиц может существовать, и именно из этих частиц состоит тёмная материя. Астрономы, изучающие движения звёзд и галактик, а также крупномасштабную структуру Вселенной, убедились, что большая часть материи является «тёмной», то есть состоит из каких-то новых частиц, не относящихся к Базовой теории. Частицы тёмной материи должны быть достаточно долговечны, иначе они давным-давно бы распались. Но они не могут достаточно сильно взаимодействовать с обычной материей, так как в противном случае уже давно были бы открыты в одном из многих экспериментов, призванных обнаружить тёмную материю, — физики ведут такие опыты прямо в наши дни. Чем бы ни являлась тёмная материя, она определённо не делает погоды здесь, на Земле, — никак не связана ни с биологией, ни с сознанием, ни с человеческой жизнью.

* * *

В этом анализе есть очевидный изъян. Есть частица, которая, на наш взгляд, должна существовать, но которую пока так и не удалось обнаружить: это гравитон. Он лёгок и достаточно стабилен, чтобы возникнуть, но гравитация — настолько слабое взаимодействие, что все гравитоны, которые мы могли бы получить в ускорителе частиц, сразу будут поглощены множеством иных образующихся там частиц. Однако гравитация влияет на нашу повседневную жизнь.

Основная причина, по которой гравитация так важна, заключается в следующем. Это дальнодействующая сила, которая накапливается: чем больше у нас вещества, оказывающего гравитационное воздействие, тем сильнее это воздействие. (Такая закономерность может не соблюдаться, скажем, для электромагнетизма, так как положительные и отрицательные заряды обнуляются, а гравитация всегда только усиливается.) Итак, хотя и нет надежды синтезировать или зафиксировать отдельный гравитон при столкновении двух частиц, общее гравитационное воздействие всей Земли даёт существенную силу тяготения.

Возможно, этой лазейкой «пользуется» и какая-то другая сила: при рассмотрении всего нескольких частиц она может быть несущественной, но вдруг она накапливается, если собрать вместе достаточно много материи? Физики уже много лет ищут такое «пятое взаимодействие». Пока ничего не нашли.

Поиск новых взаимодействий значительно упрощается благодаря тому, что обычные объекты состоят всего из трёх видов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Ещё одна черта квантовой теории поля заключается в том, что она не позволяет «включать» и «выключать» воздействия отдельных частиц; соответствующие им поля никуда не деваются. Можно генерировать макроскопические силы, правильно комбинируя положительные и отрицательные заряды, например в электромагните, но поля частиц всегда присутствуют. Итак, нужно искать взаимодействия между частицами этих трёх видов. Физики именно этим и занимаются: ставят безукоризненно точные эксперименты, при которых тела разного состава сначала сближаются друг с другом, а затем вновь удаляются; при этом ищут любой намёк на какое-либо влияние, не связанное с известными силами природы.

Результаты, полученные по состоянию на 2015 год, схематически представлены на следующем рисунке. Любые возможные взаимодействия между двумя заданными видами частиц имеют два числовых параметра: сила этого взаимодействия и расстояние, на котором оно ощущается. (Гравитация и электромагнетизм являются «дальнодействующими» силами, простирающимися фактически на бесконечные расстояния; зона влияния слабых и сильных ядерных взаимодействий очень мала — меньше размера атома.) Проще измерять сильные и при этом дальнодействующие силы. Существование подобных неоткрытых взаимодействий мы уже исключили.

Эксперименты показывают, что силы, которые могли бы действовать на обычную материю, подчиняются примерно таким ограничениям. Если какое-то взаимодействие пока не удалось выявить, то оно либо должно быть совсем слабым, либо действовать на очень небольшом расстоянии

Таким образом, если диапазон действия новой силы составляет более одной десятой доли сантиметра — что было бы необходимым условием, если бы она позволяла гнуть ложки или была тем механизмом, который позволяет Сатурну влиять на вас в момент вашего рождения, — то была бы значительно слабее гравитации. На первый взгляд кажется, «не так уж и слабо», но не забывайте, что сила гравитации исчезающе мала. Всякий раз, когда вы подпрыгиваете, крошечные электромагнитные силы вашего тела позволяют ненадолго преодолеть суммарную гравитацию всей Земли. Столь слабое взаимодействие, как гравитация, — это сила, составляющая одну миллиардную миллиардной миллиардной миллиардной от силы электромагнетизма. Ещё более слабое взаимодействие должно быть полностью пренебрежимо в повседневных условиях.

Здесь, в повседневной реальности, в мире людей, домов и машин, мы полностью каталогизировали все частицы, силы и взаимодействия, которые способны оказывать заметный эффект на что бы то ни было. Это колоссальное интеллектуальное достижение, которым человеческий род может по праву гордиться.

Кажется, что все эти рассуждения о частицах и квантовых полях безнадёжно оторваны от «человеческой» части общей картины — вопросов, касающихся нашей личной и общественной жизни. Однако мы состоим из частиц и полей, подчиняющихся незыблемым законам физики. Всё, что мы могли бы предположить о человеке, должно согласовываться с природой и поведением тех частиц, из которых мы состоим, даже если они не дают нам полной картины всего. Понять, что собой представляют эти поля и частицы, как они взаимодействуют, — важнейший шаг к пониманию того, что означает быть человеком.

Из-за ограничений, накладываемых квантовой механикой и теорией относительности, квантовая теория поля оказывается исключительно строгой и неумолимой системой. Ориентируясь на эту строгость, можно прикинуть, насколько хорошо мы протестировали Базовую теорию, конкретную совокупность полей и сил, воздействующих на окружающий мир. Ответ: очень хорошо. Достаточно, чтобы не сомневаться: нам известны все частицы и взаимодействия, релевантные на этом уровне реальности, и в дальнейшем могут быть открыты лишь такие феномены, которые проявляются где-то за его пределами: на более высоких энергиях, коротких дистанциях, в более экстремальных условиях.