Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Перефразируя Дирака, можно сказать «это всё, что есть, — для практических целей ».

Само «Ядро» содержит семена своей трансцендентальности. Три из четырех теорий — КЭД, КХД и слабых сил — основываются на разного рода зарядах [79]. Есть поля, отвечающие зарядам, и поля, которые могут превращать одни заряды в другие, — например, цветные глюонные поля превращают цветной заряд одного вида в другой. У нас есть электрический заряд, три вида цветных зарядов и два слабых. Что может быть естественнее, чем задуматься о более общей модели, где все заряды трактуются единообразно и допускают взаимные превращения?

Эта привлекательная идея сталкивается с большими трудностями. Нет абсолютно никаких свидетельств, что подобные превращения возможны. Наоборот, если они и случаются, то редко. Если допустить превращение цветных зарядов в какие-то другие, то станет возможно превращение кварков в электроны, а протоны окажутся нестабильными. Но попытки зафиксировать распад протона пока ни к чему не привели.

С другой стороны, на примере теории слабого взаимодействия мы нашли способ спасти красивые уравнения, кажущиеся «слишком хорошими для этого мира». Мы можем представить себе более пустой мир, в котором они выполняются, а затем сделать из него наш, заполнив его подходящей субстанцией (конденсатом Хиггса [80]).

Можем ли мы и дальше следовать той же стратегии? Может ли различие зарядов быть обусловлено влиянием других космических сред, состоящих из более тяжелых и неуловимых частиц, подобных частицам Хиггса?

Есть прекрасный повод так думать. Он связан с еще одной ключевой идеей «Ядра»: асимптотической свободой — ослаблением сильного взаимодействия на малых расстояниях. Мы уже рассказывали об асимптотической свободе, не называя ее. Асимптотическая свобода была ключом к открытию КХД, и она же в большой степени — источник ее предсказательной силы. Используя те же приемы, можно рассчитать, как меняются с расстоянием другие силы. Результаты удивительны: мы обнаруживаем, что унификация достигается на чрезвычайно малых расстояниях. Напряженности всех четырех сил становятся равными, а это именно то, что в соответствии с нашими предположениями должно иметь место в единой теории поля. На малых расстояниях можно минимизировать влияние среды, с которой связано различие зарядов. Кажется, рассчитанные параметры позволяют заглянуть мельком в тот идеальный мир, который мы себе представляли [81]. Так туманные мечты Эйнштейна о единой теории поля стали конкретными и даже получили количественное выражение.

Увидеть всё в целом

Объективный мир просто есть , он не случается . Лишь для взора сознания, соединенного с моим физическим телом, часть этого мира мимолетно проявляется в пространстве и непрерывно меняется во времени [82].

В предыдущей главеидея о том, что « фундаментальные законы описывают изменения», была первым принципом, руководствуясь которым мы двигались к научному пониманию устройства мира. Этот принцип хорошо послужил нам. Настоящая глава посвящена фундаментальным законам «Ядра». Они сообщают нам, что происходит .

Но граница между тем, что есть и что происходит , не вполне жесткая. Сами вечные законы, касающиеся изменений, не меняются и не появляются, они просто есть. И благодаря выводам из них мы узнаем многое о непреходящих характеристиках бытия — или, другими словами, о том, что есть , несмотря на то что по формальным признакам они указывают только на то, что происходит .

Например, вы переходите эту границу, когда, задаваясь вопросом, что происходит, всесторонне изучаете материю. Вы обнаруживаете, что у нее есть несколько составляющих, каждая из которых обладает небольшим числом простых свойств. Спрашивая, что происходит , если объединить эти составляющие, и обнаруживая, что материя существует ( есть ) в виде ядер, атомов и молекул, заполняющих периодическую систему и справочники по физике и химии, вы опять пересекаете эту границу.

Вместе с тем, прежде чем начнется построение мира по законам «Ядра», необходимо определиться с состоянием Вселенной в какой-то момент. Эти законы не охватывают парадигму единства пространства и времени. Их рабочий материал — не то, что Вейль назвал «объективным миром», а только его срезы.

Общая теория относительности учит нас, что разделение пространства-времени на пространство и время неестественно. Космологическая теория большого взрыва, которой мы займемся в главе 6, говорит, что ранняя Вселенная была удивительно простой. Эти факты — явный намек на то, что следует искать более всеобъемлющие законы, позволяющие увидеть мир как единое целое.

В предыдущих главах, говоря об изобилии пространства и времени, мы пришли к четырем фундаментальным выводам. Во-первых, Вселенная невероятно богата. Во-вторых, мы можем пользоваться лишь малой частью ее богатств. В-третьих, для наших целей более чем достаточно и их. В-четвертых, мы даже эти богатства используем далеко не полностью — есть еще много возможностей для развития.

В новой главе мы исследуем изобилие материи и энергии и вновь придем к этим четырем фундаментальным выводам.

Начнем с некоторых сравнений, чтобы получить меру космической энергии в человеческих масштабах. Взрослый человек потребляет в среднем 2000 калорий в день. Примерно такая же энергия требуется для непрерывной работы 100-ваттной лампочки. За год это составляет 3 миллиарда джоулей. (Один джоуль энергии обеспечивает мощность в 1 ватт в течение одной секунды, а в году около 30 миллионов секунд.) Давайте назовем это «годовой энергией человека» — ГЭЧ. Из нее около 20% используется для поддержания деятельности мозга.

В 2020 году мировое потребление энергии составило примерно 1,9 × 10 11, или 190 миллиардов ГЭЧ. Поскольку население Земли достигло около 7,5 миллиарда человек, на одного человека приходится примерно 25 ГЭЧ энергии. Это число — 25 — представляет собой отношение общей потребляемой энергии к количеству, используемому в процессе естественного метаболизма. Это объективная мера того, насколько далеко люди продвинулись в экономическом плане, не довольствуясь лишь прожиточным минимумом. В частности, американцы потребляют примерно 95 ГЭЧ на человека.

Энергии, которую наше Солнце вырабатывает за год, достаточно, чтобы обеспечить каждого человека примерно 500 триллионами ГЭЧ. Это намного больше, чем 25 и даже 95; таким образом, теоретически у нас остаются огромные возможности для экономического роста, если мы сможем осваивать больше энергии, вырабатываемой Солнцем.