Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

«Создание такой геометрии пространства-времени, которая объяснила бы не только законы гравитации и электромагнетизма, но и квантовые законы, — это величайшая задача, когда-либо стоявшая перед физикой», — говорил Матвей Бронштейн, учёный, первым занявшийся вопросом квантовой гравитации ещё в 1930-х годах. [247] Бронштейн М. Всемирное тяготение и электричество (новая теория Эйнштейна) // Человек и природа. — 1929. — Выпуск 8. — С. 20.

Чтобы лучше понять, как смирительная рубашка, сшитая из специальной теории относительности и квантовой теории, ограничивает действия учёных, представьте себе великого физика, который ничего не знает о мире (не задумывайтесь, как при этом он стал учёным — это вымышленная история). Он заперт в комнате без окон, но с двумя досками. На одной из них написаны принципы специальной теории относительности и квантовой теории. На второй нет ничего, кроме указания: «Вычислить следствие для этой доски».

Некоторое время наш физик с ужасом смотрит на пустую доску, затем берёт мел и начинает лихорадочно писать. Что он записывает? Что он понял о мире?

Для начала наш физик понимает, что специальная теория относительности и квантовая теория имеют последствия для квантового спина. Как уже говорилось ранее, спин, как и всё в микромире, состоит из дискретных частиц, а его фундаментальная единица составляет 1/2 от определённого значения (ℎ/2π). [248] Если повернуть частицу со спином 2 на половину оборота, она будет выглядеть так же, как в изначальном положении (представьте себе стрелу с двумя остриями). Чтобы получить тот же результат с частицей со спином 1, нужно повернуть её на полный оборот (обычная стрела с одним остриём). А вот в случае с частицей с половинным спином для подобного результата требуются два поворота! Представьте себе, что, обернувшись один раз вокруг своей оси, вы окажетесь другим человеком, а обернувшись дважды — снова станете собой. Именно так обстоят дела для электронов, самых распространённых частиц со спином 1/2. Если квантовый спин — это что-то новое для науки, то половинный квантовый спин — дважды новое!

Может показаться, что субатомная частица может иметь спин, равный любому производному значению от базового, например 19/2, 27 или 801. Но наш физик быстро понимает, что диапазон спинов в природе ограничен. Из бесконечного количества значений только пять совместимы с положениями специальной теории относительности и квантовой теории: 0, 1/2, 1, 3/2 и 2.

Спин частицы определяет, как она взаимодействует с другими частицами, а значит, определяет и явления, в которых она участвует. Наш физик решает поочерёдно рассмотреть частицы с каждым типом спина и записать на пустой доске все выводы, которые он сможет о них сделать.

Для начала он вычисляет, что в соответствии с квантовой теорией частицы с полуцелым спином подчиняются принципу Паули, из-за чего стараются избегать друг друга. [249] См. Chown M. We Need to Talk About Kelvin. — London: Faber & Faber, 2009. — Chaper 3: No More than Two Peas in a Pod at a Time. Раз каждой из таких частиц требуется много места, значит, когда они собираются вместе в больших количествах, формируются вытянутые, протяжённые объекты.

На самом деле частицы со спином 1/2, известные также как кварки или лептоны, представляют собой фундаментальные строительные блоки материи. Типичным лептоном, разделяющим антисоциальную природу своих полуцелых собратьев, является электрон. Как писал Ричард Фейнман, «электроны нельзя поставить друг на друга, вот почему столы и другие предметы состоят из твёрдой материи».

Затем наш физик переходит к частицам со спином 1. Он понимает, что строительные блоки материи могут обмениваться ими и что именно за счёт этого обмена возникает взаимодействие. Существует три способа такого обмена, которые ведут к возникновению трёх фундаментальных сил природы.

Эти способы носят названия электромагнитной силы, а также сильного и слабого ядерного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки по три в протоны и нейтроны и удерживает их в атомном ядре. Но на электроны его влияние не распространяется. Они удерживаются рядом с ядром за счёт электромагнитной силы, и таким образом возникает атом.

Наш запертый учёный не только вычисляет существование в природе 92 типов атомов (от самого лёгкого, водорода, до самого тяжёлого, урана), но и предполагает наличие широкого спектра химических соединений, возникающих благодаря миллионам различных способов соединения базовых атомных строительных блоков. [250] Специальная теория относительности и квантовая теория также накладывают строгие ограничения на взаимодействие между частицами и переносчиками силы. Если вы предполагаете, что частица может одновременно взаимодействовать, например, с пятью или двенадцатью переносчиками, вы ошибаетесь. Переносчик может быть только один. Пространственно-временную диаграмму, которую обычно используют для иллюстрации такого события, называют диаграммой Фейнмана. На ней это ограничение показано как следующее условие: в одной точке пространства-времени (вершине) могут сойтись только три частицы. Например, если к вершине подходит электрон, фотон сталкивается с ним и поглощается, а затем электрон отбрасывается в другом направлении. Но специальная теория относительности и квантовая теория упрощают дело лишь в нашем обычном мире с низкими уровнями энергии и большими расстояниями. На малых расстояниях и при высоких энергетических уровнях взаимодействия происходят более сложным образом.

Итак, с частицами с полуцелым и целым спином мы разобрались. Теперь наш физик переходит к частице со спином 0. Он сразу же понимает, что такая частица представляет собой квант поля, пронизывающего всё пространство и сопротивляющегося движению других частиц. Таким образом, частицы приобретают инерцию, то есть массу.

Подобные частицы известны нам под названием бозон Хиггса. О его открытии было триумфально объявлено командой Большого адронного коллайдера в июле 2012 года.

Затем наш физик переходит к частицам со спином 2. Он понимает, что свойством таких частиц является взаимодействие со всеми прочими частицами, что приводит к возникновению «универсальной силы». После некоторого количества расчётов наш физик делает вывод, что из существования частиц со спином 2 неизбежно следует общая теория относительности. [251] Weinberg S. The Quantum Theory of Fields. — Cambridge: Cambridge University Press, 2005. (Рус. пер.: Вайнберг С. Квантовая теория поля / В 3-х томах. — М.: Физматлит, 2015–2018.) Это доказывает, что специальная теория относительности в некотором смысле имеет более фундаментальный характер, чем общая, иначе как вторая могла бы вытекать из первой (разумеется, в сочетании с квантовой теорией)?