Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Наше зрение реагирует на состояние электромагнитного поля — но только на излучение, попадающее в зрачки. Кроме того, чувствительность глаза ограничивается узким диапазоном длин волн, от 350 до 700 нанометров (это примерно полумиллионная часть метра), называемым видимым светом. Но даже в этом диапазоне мы не воспринимаем спектр правильно. У нас в глазу есть три [111]разных типа колбочек, грубо настроенных на разные диапазоны длин волн, задействованных в цветовом зрении, а также есть палочки, грубо настроенные на широкий диапазон, для периферического и ночного зрения.

Многие рептилии воспринимают инфракрасное излучение. Пчелы, как и многие птицы, воспринимают ультрафиолет. Птицы лучше нас анализируют спектр видимого света: их рецепторные клетки содержат вкрапления масла, которые избирательно фильтруют диапазоны длин волн. Как ни странно, ракообразные [112], известные как креветки-богомолы, на сегодня считаются лучшими природными спектроскопистами: у разных их видов есть от двенадцати до шестнадцати различных типов рецепторов (для сравнения: у человека только четыре). Их чувствительность захватывает и значительную часть инфракрасного и ультрафиолетового спектра излучения. Они также чувствительны к поляризации, чего совсем нет у людей.

Наши предки жили во вселенной, отличающейся в сенсорном смысле от нынешней. Трудно представить себе мир без очков, зеркал, линз (и их усовершенствованных форм — микроскопов и телескопов), искусственного освещения и фонарей, датчиков дыма, термометров, барометров и множества других устройств, которые расширяют наше восприятие. Тем не менее в таком мире люди жили в течение большей части истории.

Технологии уже предоставили нам сверхвозможности, и конца этому не видно. Приемники и генераторы электромагнитного излучения как в видимой области, так и за ее границами становятся компактными и дешевыми, равно как и датчики магнитного поля, генераторы и приемники ультразвука, а также устройства, которые могут отбирать и анализировать химические образцы («искусственные носы»). В нашей повседневной жизни двери восприятия открываются все шире.

Другие проекты по расширению нашего восприятия требуют экстраординарных усилий во многих областях науки и призваны решать важные вопросы, общаясь с природой на новом уровне. Открытия, которые при этом делаются, не станут в обозримом будущем частью повседневной жизни. Но у людей появился стимул усердно работать дальше. Ведь поднятые вопросы очень интересны.

Здесь я кратко опишу два больших проекта, которые в последние годы расширили границы нашего восприятия мира. Это примеры запланированных открытий , когда мы поставили прямые вопросы природе и ожидаем ответы. В каждом случае я объясню, почему мы задаем именно этот вопрос, почему хотим получить ответ и что для этого делаем.

Цель этих проектов — раздвинуть границы того, что мы умеем делать [113], чтобы расширить горизонт наших знаний. Таким образом, они проводят стресс-тесты для нашего понимания основных законов.

Что мы ищем и почему

Представьте себе планету, покрытую льдом, под которым лежит огромный океан, — например, что-то похожее на Европу, спутник Сатурна. А в этом океане живет уникальный вид рыб — настолько разумных, что они интересуются динамикой. Поскольку рыбы движутся в воде сложным образом, они накапливают много интересных наблюдений и эмпирических правил, не объединенных в целостную систему. И вот однажды у некоей рыбы-гения, назовем ее рыбкой Ньютоном, возникает потрясающая идея. Рыбка Ньютон предлагает новые законы движения. Они намного проще, чем старые правила, но не описывают того, как объекты движутся на самом деле (то есть в воде). Рыбка Ньютон утверждает, что вы сможете вывести наблюдаемые движения из новых, более простых законов, если предположите, что пространство заполнено средой. В этом случае гипотетическая среда — ее мы называем водой — влияет на поведение тел. Идея рыбки Ньютона — соединить сложность наблюдаемой реальности с более фундаментальной простотой, лежащей в ее основе.

Когда какие-то явления в природе нас озадачивают или противоречат нашим знаниям, мы можем, как рыбка Ньютон, представить себе идеальный мир, а затем попытаться встроить в него свой. Эта стратегия и привела к современному пониманию слабого взаимодействия.

Среда, усложняющая понимание слабого взаимодействия, называется конденсатом Хиггса в честь Питера Хиггса — шотландского физика, который внес важный вклад в эту гипотезу [114]. Впервые эту среду ввели как теоретический элемент для получения более красивых уравнений. Похожий прием использовала и рыбка Ньютон.

Удалив конденсат Хиггса, мы сможем построить теорию слабого взаимодействия, очень похожую на наши теории сильного и электромагнитного взаимодействий. В этом воображаемом мире переносчиками слабого взаимодействия являются аналоги глюонов и фотонов — W - и Z -бозоны. Они реагируют на два новых вида заряда — назовем их слабым зарядом A и слабым зарядом B — и изменяют их. A и B похожи на три цветных заряда квантовой хромодинамики и один электрический заряд квантовой электродинамики, но в то же время отличаются от них. Слабое взаимодействие — и только оно — может преобразовать единицу заряда типа A в единицу заряда типа B и, соответственно (поскольку частицы определяются своими свойствами), превратить один вид частиц в другой. В этом, как мы теперь лучше понимаем, и заключается природа преобразующей силы слабого взаимодействия.

Причина, по которой нам необходимо ввести конденсат Хиггса, такова: в реальном мире мы обнаруживаем, что W - и Z -бозоны, в отличие от глюонов или фотонов, имеют ненулевую массу. Чтобы завершить аналогию с электродинамикой и теорией сильных взаимодействий и получить такие же красивые уравнения, мы должны ввести среду, которая бы их замедляла.

Такая теория слабого взаимодействия сформировалась в 1960-х годах. В 1970-х начали накапливаться экспериментальные свидетельства в ее пользу, и в конечном счете они убедили всех. Но один большой вопрос остался без ответа: из чего же состоит эта важнейшая вездесущая и всепроникающая среда — конденсат Хиггса? Люди дали много умозрительных ответов. Некоторые считали, что он сделан из нескольких различных частиц, для объяснения которых нужно вводить новые силы или даже новые измерения пространства. Но самая простая и осторожная гипотеза вводила всего одну новую частицу — частицу Хиггса. Важно было проверить, использует ли природа этот простейший вариант.