Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Как мы только что видели, на следующем, более глубоком уровне частицы заменяются полями.

Эти четыре взаимодействия (и соответствующие теории) таковы:

• электромагнитное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая электродинамика (КЭД);

• сильное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая хромодинамика (КХД);

• гравитационное взаимодействие, рассматриваемое общей теорией относительности Эйнштейна;

• слабое взаимодействие.

Когда речь идет о земной материи, доминируют электромагнитное и сильное взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие удерживает вместе атомы и управляет организованными из них структурами. Эти же силы описывают, как атомы взаимодействуют со светом. Сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядер атомов и управляет их структурой.

Гравитационные силы, действующие между элементарными частицами, чрезвычайно слабы, но растут, когда частиц много. Так что если речь о больших (незаряженных) телах, то эти силы становятся основными.

Слабые силы управляют атомными превращениями и ведут к распаду частиц, которые в противном случае оставались бы стабильными. Они же обусловливают протекание реакций с выделением энергии. Заметим, что такие реакции — основной источник энергии звезд, включая наше Солнце.

Прежде чем погрузиться в детали, хочу объяснить два принятых мною решения. Первое касается выбора слов. Физики часто говорят не о четырех «силах», а о четырех «взаимодействиях». В пользу такого выбора есть вполне правомерный аргумент. В механике Ньютона слово «сила» имеет точное значение — определяет потенциальную причину движения. Но, например, в словосочетании «слабая сила» то же слово подразумевает совсем другое, а именно процессы, приводящие к превращению одних частиц в другие. Тем не менее я остановлюсь на словосочетании «слабая сила»: оно менее высокопарно [64], чем «слабое взаимодействие».

Второе решение затрагивает самую суть того, чего я надеюсь достичь этой книгой. Большая ценность наших теорий четырех сил — возможность точно и понятно выразить их в нескольких уравнениях. С точки зрения философии это означает нечто вполне конкретное, понятное и без математического образования. А именно наши теории без ущерба для содержания можно переформулировать в виде довольно коротких компьютерных программ и затем объединить в одну главную программу. Но даже эта программа — операционная система физического мира — будет значительно короче, скажем, операционной системы вашего компьютера.

Но у этого исключительного «сжатия данных» есть оборотная сторона: информация зашифрована, и шифр отличается от естественного человеческого языка.

Исходные уравнения или эквивалентные им компьютерные программы используют символы и понятия, совсем непохожие на привычные нам конструкции. Только после долгих вычислений и толкований можно перейти от уравнений к их следствиям, о которых легко рассказать.

В связи с этим я должен был выбирать — и не раз, — как добраться до истоков и какие их последствия выделить. Основной посыл остался прежним — небольшого числа законов достаточно для управления физическим миром.

Электрический атом

Основные правила для электромагнитного взаимодействия, начиная с закона Кулона и кончая выводом уравнений Максвелла, формулировались на основе опытов с объектами, размеры которых сопоставимы с человеческими. Приступив к исследованию субатомного мира, ученые предположили, что и там наиболее важны электромагнитные силы, а для их описания по-прежнему можно использовать уравнения Максвелла. Это был радикально-консервативный подход.

Подобная смелая стратегия работает на удивление хорошо. Если согласиться с тем, что основная масса атома и весь его положительный заряд сосредоточены в маленьких ядрах, а кроме этого есть только электроны, все остальное можно отдать на откуп уравнениям Максвелла плюс квантовым условиям, относящимся на этот раз к электронному полю. Вместе они дают одновременно точную и результативную модель атома.

Откуда мы знаем, что она верна? Атомы поют, открывая души свету. Я позволил себе некоторую поэтическую вольность, но эта фраза описывает и мастерство, и научный метод спектроскопии.

Спектроскопия

Начнем сначала — с фотонного [65]и электронного поля. Согласно квантовому условию, поле фотона дает нам фотоны. Они электрически нейтральны и непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

Квантовое условие для электронного поля дает нам электроны, взаимодействующие благодаря электрическим силам. Именно поэтому все возбуждения электронного поля нельзя построить, просто складывая независимо фундаментальные возбуждения. Однако, когда электроны находятся достаточно далеко друг от друга, энергия их взаимодействия гораздо меньше энергии, заключенной в их массе (то есть E = mc 2), так что их опять можно рассматривать по отдельности. Другими словами, фундаментальные возбуждения электронного поля представляют собой сгустки влияющих друг на друга маленьких частиц — электронов. На этой «полевой закваске» «выпекаются» как элементарные курсы, рассказывающие об окружающем мире, так и серьезные учебники по химии и биологии.

Чтобы построить модель атома, учтем влияние ядра на возбуждения электронного поля, содержащего достаточно электронов, чтобы сбалансировать положительный электрический заряд ядра. При такой «конструкции» точные уравнения для электронного поля могут оказаться достаточно сложными, поскольку должны учитывать как влияние ядра на электроны, так и влияние электронов друг на друга. Это начало долгой истории ядерной физики и химии, строящихся на фундаментальных принципах. Многие талантливые люди посвятили всю жизнь исследованиям тех или иных разделов этих наук.

Однако наша цель и более глобальна, и более ограниченна. Мы хотим в самом общем виде понять, что собой представляют наиболее важные гипотезы атомной физики и как они связаны с основами мироустройства. Если исходить из этого, главный вывод атомной физики удивительно прост: изучая цвета испускаемого атомами света, мы можем собрать обширную, детальную информацию об их устройстве.

Набор цветов, которые испускает атом, называется спектром, а его изучение — спектроскопией. Спектроскопия — один из самых мощных инструментов, дающих нам возможность общаться с природой. Его можно использовать для изучения не только электрически нейтральных атомов, но и молекул, ионов и вообще всего, что испускает фотоны.

В 1913 году, еще до того как квантовая механика обрела свою современную, совершенную форму, Нильс Бор сформулировал правила, ограничивающие допустимые значения энергий атома водорода. Правила Бора появились неожиданно — в результате вдохновенной догадки. Предсказанный им спектр точно совпадал с имевшимися экспериментальными данными, что было не так уж удивительно: правила и строились с учетом этих данных. Больше удивляло то, что модель Бора помогла сделать дополнительные предположения и все они оказались правильными. Когда на семинаре Эйнштейн впервые услышал об этом замечательном подтверждении теории Бора, он был явно потрясен и сказал: «Тогда это одно из величайших открытий».