Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Было неясно, является ли T-инвариантность точной характеристикой фундаментальных законов и будет ли польза от поиска ее причин. Она казалась изящным, хотя и немного необычным свойством законов. Т-инвариантность могла оказаться тем самым дном. Большинство физиков так и думали.

Почему? Второй подход — священные принципы

Ситуация изменилась в 1964 году, когда Джеймс Кронин, Вал Фитч [125]и их коллеги обнаружили крошечный, непонятный эффект в распадах K-мезонов [126], нарушающий T-инвариантность. Раз T-инвариантность выполняется не совсем точно, она — еще не дно! Возник очевидный вопрос, требующий дальнейшего изучения: «Почему в природе Т-инвариантность выполняется, но все-таки не совсем точно ?» Он оказался очень правильным.

В 1973 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава [127]совершили прорыв в поиске теоретического ответа. Они взяли за основу каркас из квантовой теории поля и наших теорий «Ядра» для сил (которые в то время еще не были полностью установлены). Как я упоминал ранее, этот каркас очень жесткий — вы не можете его изменить, не нарушив целостности. Никто не знает, как модифицировать его структуру, не нарушая священных принципов [128]теории относительности, квантовой механики и локальности. Но можно постараться не изменить саму структуру, а сделать к ней «пристройку». Кобаяси и Маскава обнаружили, что добавление третьего поколения кварков и лептонов [129]к двум уже известным позволяет ввести взаимодействие, нарушающее T-инвариантность и порождающее эффект, который наблюдали Кронин и Фитч. Если бы существовали только два известных на тот момент поколения, такой возможности не было бы.

Вскоре частицы из третьего поколения, существование которых предсказали Кобаяси и Маскава, начали обнаруживаться на ускорителях при работе в режиме более высоких энергий. С того момента многие эксперименты подтвердили также существование введенного ими взаимодействия.

Однако это еще не конец истории. Существует еще одно возможное взаимодействие . Оно тоже нарушает T-инвариантность и при этом полностью вписывается в жесткий каркас теорий нашего «Ядра» и квантовой теории поля. Это взаимодействие необязательно для объяснения наблюдений Кронина и Фитча или каких-либо других. Похоже, природа просто его не использует. Почему?

Почему? Третий подход — эволюция

В 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн [130]предложили ответ на третье и, вероятно, последнее «почему» о Т-инвариантности. Этим ответом стала теория эволюции, открывшаяся при расширении «Ядра». Авторы предположили, что сила «ненужного» дополнительного взаимодействия — это не просто параметр, а квантовое поле, которое может меняться в пространстве и времени. Они показали, что если новое поле обладает некоторыми требуемыми, достаточно простыми свойствами, то действующие на него силы будут стремиться обратить его в ноль. Печчеи и Куинн неявно предположили, что ноль и есть предпочтительное значение этого поля, к которому оно, согласно космологии Большого взрыва, эволюционирует [131].

Это наконец может дать нам удовлетворительный ответ на наши вопросы. Он звучит так: почти точная, но не совсем, T-инвариантность характерна для фундаментальных законов вследствие того, как более глубокие принципы — относительность, квантовая механика и локальность — действуют на основные элементы физического мира.

Эти теоретические идеи имеют серьезнейшие последствия. Мы скоро займемся ими. Но сначала давайте обратимся к темной стороне Вселенной.

Темная материя и темная энергия схожи, поэтому имеет смысл представить их вместе. И то и другое имеет отношение к наблюдаемым движениям, у которых нет очевидной причины. Более точной, хотя и менее запоминающейся характеристикой этих явлений была бы формулировка «необъяснимые ускорения». Определенные закономерности, которые они демонстрируют, заставляют предположить связь с гравитацией из неизвестных источников. Чтобы объяснить все наблюдения, нам нужно было их ввести. По определению ими считаются темная материя и темная энергия.

Я хотел бы подчеркнуть, что ни то ни другое не является «темным» в обычном смысле. Оба явления пока просто невидимы. Из мест, где должно находиться «темное» вещество, не зарегистрированы излучения, не нашли там и поглощения света.

Темная материя может состоять из частиц нового вида, образовавшихся во время Большого взрыва и очень слабо взаимодействующих с прочими. Темная энергия может быть и плотностью самого пространства Вселенной.

Пока это самые популярные гипотезы, которые достаточно убедительно объясняют широкий спектр наблюдений. Есть сторонники и других концепций, но те более спекулятивны.

Подобные проблемы — проблемы скрытых источников ускорений — возникали и раньше в астрономии. Расскажу одну такую историю.

В 1687 году Ньютон представил миру свою механику и закон всемирного тяготения, которые называл «Системой мира». За последующие десятилетия их правильность не раз триумфально подтверждалась. За это время многие астрономы осуществили гораздо более точные наблюдения за движениями небесных тел, а другие исследователи провели гораздо более точные вычисления разнообразных эффектов, вытекающих из ньютоновской теории. Почти все наблюдения соответствовали предсказаниям.

Однако два противоречия нарушали эту благостную картину. Они касались движения Урана и Меркурия. Предсказания теории Ньютона и наблюдаемые положения этих планет расходились. Расхождения были сравнительно небольшими — намного меньше, чем, скажем, размер Луны в небе, но тем не менее вызывали сомнения. Либо в расчетах что-то не учитывалось, либо теория была ошибочной. Загадка требовала ответа.

Когда чрезвычайно успешная во всех прежних ситуациях теория сталкивается с противоречием, первая мысль, которая приходит на ум: чего-то не хватает. Исходя из этого, Джон Коуч Адамс и Урбен Леверье [132]предположили существование еще одной неизвестной планеты, гравитация которой могла сбивать Уран с курса. Другими словами, они предположили, что здесь действует очень специфический вид темной материи.

Адамс и Леверье рассчитали, где должна быть новая планета и где она должна появиться на ночном небе. Леверье сообщил о своем предположении Берлинской обсерватории. И наблюдатели ее увидели. Новую планету, открытую в 1846 году, назвали Нептуном.

Леверье попытался аналогично решить проблему с Меркурием: предположил существование еще одной планеты, которую назвал Вулканом. Вулкан должен был располагаться очень близко к Солнцу, чтобы его гравитация повлияла на Меркурий, но не оказала заметного действия на другие планеты. Это также объяснило бы, почему Вулкан не наблюдался: за мощью солнечного излучения трудно что-либо разглядеть.