Шон Кэрролл - Вселенная

Но откуда мы знаем, что даже если мы не в состоянии непосредственно наблюдать новые частицы или поля, то они не могут оказывать некое малозаметное, но важное воздействие на известные нам частицы? Ответ на этот вопрос подводит нас к ещё одному аспекту квантовых полей: так называемой эффективной теории поля . В квантовой теории поля модификатор «эффективный» не означает «результативно работающий и согласующийся с данными». На самом деле эффективная теория — это эмерджентная аппроксимация более глубокой теории. Это специфичная, надёжная и контролируемая аппроксимация — всё благодаря силе квантовой теории поля.

Если у нас есть некоторая физическая система, то одни её аспекты будут нас интересовать, а другие — нет. Эффективная теория моделирует лишь те аспекты системы, которые для нас важны. Не интересующие нас вещи или слишком малозаметны, чтобы привлечь наше внимание, или испытывают такие колебательные изменения, которые в среднем компенсируют друг друга. Эффективная теория описывает макроскопические признаки, возникающие на базе более полного микроскопического описания.

Эффективные теории исключительно полезны в самых разных ситуациях. Когда мы описывали воздух как газ, а не как совокупность молекул, мы фактически использовали эффективную теорию, поскольку движения отдельных молекул нас не волновали. Другой пример: Земля вращается вокруг Солнца. Планета Земля состоит примерно из 10 50отдельных атомов. Практически невозможно описать, как нечто столь сложное движется через пространство, — возможно ли вообще думать о том, чтобы отследить траектории всех этих атомов? Но нам этого и не требуется: можно отслеживать всего одно интересующее нас значение, а именно: положение центра массы Земли. Рассуждая о движении крупных макроскопических объектов, мы почти всегда пользуемся эффективной теорией движения их центров масс.

* * *

Идея эффективной теории применяется повсеместно, но проявляется во всей красе именно при работе с квантовыми полями. Всё дело в догадке нобелевского лауреата Кеннета Уилсона, глубоко задумавшегося о природе «полей» в квантовой теории поля.

Уилсон обратил внимание на факт, не являющийся секретом для физиков: если у нас есть вибрирующее поле, то такие колебания всегда можно разбить на составляющие, которые соответствуют конкретным длинам волн. Именно это мы и делаем, пропуская луч света через призму и разлагая его на радужный спектр: красный цвет — это длинноволновая вибрация электромагнитного поля, синий — коротковолновая, и так со всеми остальными цветами. В квантовой механике частота коротковолновых вибраций выше и, соответственно, они обладают большей энергией, чем длинноволновые. Нас интересуют низкоэнергетические, длинноволновые вибрации; как раз их легко получить и наблюдать в повседневной жизни (если, конечно, в быту вам не приходится иметь дело с ускорителями частиц или высокоэнергетическими космическими лучами).

Итак, Уилсон полагает, что квантовая теория поля по природе своей обладает отличным механизмом для создания эффективных теорий: можно отслеживать лишь длинноволновые/низкоэнергетические вибрации поля. Коротковолновые вибрации никуда не деваются, но на уровне эффективной теории они всего лишь влияют на свойства длинноволновых вибраций. Эффективные теории поля позволяют судить о низкоэнергетических явлениях, а по меркам физики частиц все явления, наблюдаемые в повседневной жизни, — низкоэнергетические.

Например, нам известно, что протоны и нейтроны состоят из u -кварков и d -кварков, которые удерживаются вместе благодаря глюонам. Кварки и глюоны, проносящиеся на огромных скоростях внутри протонов и нейтронов, — это коротковолновые вибрации поля. Нам не требуется ничего о них знать, чтобы рассуждать о протонах и нейтронах и об их взаимодействии друг с другом. Есть эффективная теория протонов и нейтронов, которая превосходно работает, пока мы не пытаемся различить отдельные кварки и глюоны.

Этот простой пример демонстрирует важные аспекты работы эффективных теорий. Во-первых, обратите внимание на то, что те сущности, о которых мы говорим, — онтология теории — могут совершенно по-разному описываться в эффективной теории и в более полной микроскопической теории. Микроскопическая теория рассматривает кварки, эффективная теория — протоны и нейтроны. Это пример эмерджентности; терминология, которой мы пользуемся при описании флюида, совершенно отличается от терминологии описания молекул, хотя и флюид, и молекулы существуют в одной и той же физической системе.

Изумительную простоту и мощность эффективных теорий можно продемонстрировать всего на двух примерах. Во-первых, в основе любой эффективной теории может лежать много разных микроскопических теорий. Это множественная реализуемость в контексте квантовой физики. Следовательно, нам не требуется знать всех деталей микротеорий, чтобы уверенно судить о макроскопических явлениях. Во-вторых, любая эффективная теория обычно обладает крайне ограниченным набором динамических свойств. Квантовые поля при низких энергиях просто не допускают большего разнообразия. Расскажите мне, какие частицы охватывает ваша теория, и мне останется всего лишь измерить некоторые их параметры, например массы и силы взаимодействий, после чего теория будет полностью описана. Точно так же, как с планетами, вращающимися вокруг Солнца: ничего страшного, что Юпитер — горячий газовый гигант, а Марс — холодная скалистая планета; обе планеты движутся по орбитам так, что движение центров их масс подчиняется законам Ньютона.

Вот почему мы так уверены, что Базовая теория принципиально верна в своей области применения. Даже если бы на микроуровне происходило нечто принципиально иное — там вообще не было бы не только теории поля, но и ни пространства, ни времени в нашем понимании, — то эмерджентная эффективная теория при этом так и оставалась бы обычной теорией поля. Фундаментальная основа реальности может коренным образом отличаться от чего бы то ни было, что может вообразить себе любой из живших на свете физиков; но при этом в нашем повседневном мире физика всё равно будет подчиняться законам квантовой теории поля.

* * *

Всё это звучит устрашающе, если только вы не физик, работающий над формулировкой Теории Всего, но обратная сторона проблемы такова: мы уже практически обзавелись очень хорошей Теорией Некоторых Низкоэнергетических Явлений, в частности понимаем все те явления, с которыми сталкиваемся в повседневной жизни.

Мы знаем, что Базовая теория — не истина в последней инстанции. Она не учитывает тёмную материю, из которой состоит бо́льшая часть вещества во Вселенной, не описывает чёрные дыры и не позволяет понять, что произошло в момент Большого взрыва.