Фрэнк Вильчек - Основы реальности

После короткой, но напряженной схватки нам удалось построить теорию, которая с этим справилась, — она называется квантовая хромодинамика, или КХД. Сначала свидетельства в ее пользу были очень шаткими. Но со временем, после экспериментов при более высоких энергиях, такие свидетельства начали накапливаться и становиться все надежнее. Теперь, спустя практически пятьдесят лет, количество их огромно.

Наш путь начинался с нечетко сформулированной идеи и озадаченности. Он вел через рутинные исследования, озарения, расчеты, результаты, проверки — но в конце нас ждала еще одна истина о физическом мире, с которой согласились коллеги. И каждый шаг по тому пути был невероятным подарком. В 2004 году Дэвид Гросс и я получили за эту работу Нобелевскую премию. Мы разделили ее с Дэвидом Политцером, который независимо провел похожие вычисления.

Масса из энергии: m = E/c 2

Теперь я расскажу о самом поразительном следствии из КХД — она объясняет происхождение большей части массы.

Знаменитая формула Эйнштейна E = mc 2определяет энергию покоя тела, обусловленную наличием у него массы. Поскольку энергия сохраняется, мы можем использовать эту формулу, чтобы вычислить, какая энергия высвобождается, когда частицы распадаются. Ее же используют, например, следя за тем, как энергия радиоактивности Земли перемещает континенты (тектоника плит) или как протекают ядерные реакции в звездах.

Замечательно, что логика формулы допускает ее прочтение и в противоположном направлении.

Внутри протонов имеются кварки и глюоны [72]. Масса кварков очень мала, а глюоны — безмассовые частицы. Но внутри протонов они быстро двигаются и, следовательно, обладают энергией. Все их энергии складываются. Если суммарная энергия «упакована» в один объект — покоящийся как целое протон, — этот объект обладает массой m = E/c 2. Эта энергия и обеспечивает практически всю массу протонов и нейтронов. В свою очередь, почти вся наша масса приходится на массу содержащихся в нас протонов и нейтронов. Сторонники восточной философии часто говорят о ци — пространственно-временной энергетической субстанции. По их мнению, ци лежит в основе устройства Вселенной и все существует благодаря ее видоизменению и движению. Многие пытаются развивать свое внутреннее ци. КХД учит, что мы получаем эту субстанцию естественным путем.

Одно из моих ранних подростковых воспоминаний связано с небольшой тетрадкой. Она была у меня, когда я впервые услышал об общей теории относительности и алгебре. Ни одну из этих дисциплин я по-настоящему не понимал, но думал, что, поработав как следует, смогу открыть что-нибудь замечательное, наподобие E = mc 2. В тетрадке я записал эту формулу как m = E/c 2. Я и не подозревал…

Совпадение в теории Ньютона

Более двух столетий теория тяготения Ньютона, в основе которой лежит простое выражение для гравитационной силы (мы об этом говорили выше), шагала от успеха к успеху. И с самого начала было в ней одно поразительное, необъяснимое совпадение — а на самом деле бесконечное их число. Согласно закону движения Ньютона, сила, действующая на тело, равняется его массе, помноженной на вызванное этой силой ускорение. С другой стороны, согласно закону тяготения Ньютона, сила, действующая на тело, также пропорциональна его массе. Приравнивая эти два выражения, мы видим, что масса тела сокращается. Другими словами, гравитация — универсальный источник ускорения, одинакового для всех тел, на которые она действует.

В теории Ньютона есть два вида масс. В одних условиях инертная масса определяет степень сопротивления тела внешним силам. В других условиях гравитационная масса определяет силу притяжения, которую тело испытывает или создает [73]. В логике теории нет ничего, что требовало бы пропорциональности этих масс, она и так работала бы безукоризненно. Можно представить себе, что соотношение масс зависит, например, от химического состава тела. Теория Ньютона оставляет эту никогда не нарушаемую пропорциональность, или, что то же самое, универсальность гравитационного ускорения, как необъяснимое совпадение.

Свою теорию гравитации Эйнштейн сформулировал в 1915 году. Она удивительным образом и очень убедительно объяснила совпадения масс в исследованиях Ньютона, а кроме того, перевела гравитацию в рамки полевой теории наподобие электромагнетизма. Это удовлетворяло стремлению Ньютона к законам тяготения, основанным на локальности действия.

Если не настаивать на математических подробностях, величественную логику общей теории относительности можно обрисовать десятью широкими мазками.

1. Универсальная истина должна иметь универсальное объяснение.

2. Именно поэтому «совпадение», указывающее, что сила тяготения приводит к одинаковому ускорению любого тела, занимающего заданное положение в заданный момент времени, должно быть основополагающим.

3. Это значит, что гравитационное ускорение должно отражать свойства пространства-времени.

4. Одно из свойств, которые может иметь пространство-время, — кривизна [74].

5. Кривизна пространства-времени влияет на движение тел. Тела, двигающиеся «так прямо, как только возможно», могут тем не менее двигаться не вдоль прямой линии.

6. В пространстве-времени прямая линия символизирует движение с постоянной скоростью, поэтому отклонение от прямолинейного движения отражает ускорение.

7. Объединяя пункты 5 и 6, мы видим, как реализуется пункт 3: гравитация отражает кривизну пространства-времени.

8. Поскольку кривизна может меняться от точки к точке и во времени, она определяет поле.

9. Чтобы вывести теорию гравитации, нужны уравнения, увязывающие кривизну поля пространства-времени с влиянием материи. Действительно, как учил Ньютон, материя может создавать гравитацию.

10. Из закона тяготения Ньютона следует, что основное свойство материи, ответственное за гравитацию, — масса. Точнее, это предполагает, что кривизна пространства-времени, содержащая информацию о массе, должна быть пропорциональна массе. Это допущение — шаг в правильном направлении. Чтобы получить точные уравнения, его надо подкорректировать, но, если вы знаете специальную теорию относительности, это вопрос техники. Как я отмечал раньше, суть корректировки — в признании того, что источником гравитации являются все формы энергии, а не только связанная с массой покоя.

Джон Уилер, поэт общей теории относительности, считал так: «Пространство-время говорит материи, как двигаться, материя говорит пространству-времени, как изгибаться» [75].

Алхимия природы