Ричард Фейнман - КЭД – странная теория света и вещества

Тем временем ставятся эксперименты с целью посмотреть, не повторится ли цикл еще раз. В настоящее время построены машины для поисков еще более тяжелого электрона, чем тау. Если масса предполагаемой частицы равна 100 000 МэВ, они не смогут ее создать. Если порядка 40 000 МэВ, такая частица может быть создана.

Тайны, вроде этих повторяющихся циклов, делают работу физика-теоретика очень интересной: Природа задает нам такие чудесные загадки! Почему она повторяет электрон частицами, массы которых в 206 и 3640 раз больше?

Мне хотелось бы сделать одно последнее замечание, чтобы совершенно покончить с частицами. Когда, взаимодействуя с W -бозоном, d -кварк переходит в w -кварк, он может также с небольшой амплитудой перейти вместо этого в с -кварк. Когда w -кварк переходит в d -кварк, он может также с малой амплитудой перейти в s -кварк и с еще меньшей амплитудой перейти в b -кварк (см. рис. 93). Поэтому W -бозон немного все перекашивает и позволяет кваркам переходить из одного столбца таблицы в другой. Почему возникают в такой пропорции амплитуды перехода в другие типы кварков, совершенно неизвестно.

Вот и все, что касается остальной квантовой физики. Это чудовищная неразбериха, и вы можете сказать, что физика безнадежно запуталась. Но так казалось всегда. Природа всегда казалась безнадежно запутанной, но, продвигаясь вперед, мы различаем закономерности и сводим теории воедино; возникает какая-то ясность и все становится проще. Неразбериха, которую я вам сейчас продемонстрировал, значительно меньше, чем та, что была десять лет назад, когда мне пришлось бы рассказывать вам о четырехстах с лишним частицах. А подумайте о неразберихе в начале этого века, когда независимо существовали тепло, магнетизм, электричество, свет, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, показатели преломления, коэффициенты отражения и другие свойства различных веществ, которые мы с тех пор объединили в одну теорию – квантовую электродинамику.

Рис. 93. У d-кварка имеется небольшая амплитуда превращения вместо u-кварка в с-кварк, и у s-кварка имеется небольшая амплитуда превращения вместо с-кварка в w-кварк, причем в обоих случаях будет испускаться W-бозон. Мы видим, что W-бозон способен менять кварковый аромат из одного столбца таблицы в другой (см. рис. 92).

Я хотел бы подчеркнуть одно обстоятельство. Теории, посвященные остальной физике, очень похожи на квантовую электродинамику: все они описывают взаимодействие объектов со спином ½ (вроде электронов и кварков) с объектами, имеющими спин 1 (вроде фотонов, глюонов и W- бозонов), в рамках концепции амплитуд, согласно которой вероятность события равна квадрату длины стрелки. Почему все физические теории имеют столь сходную структуру?

Имеется несколько возможностей. Во-первых, причиной может служить ограниченное воображение физиков. Встретившись с новым явлением, мы пытаемся вогнать его в уже имеющиеся рамки – и только поставив достаточное количество экспериментов, обнаруживаем, что концы с концами не сходятся. Поэтому, если какой-нибудь дурак-физик во время лекции в Калифорнийском университете в 1983 г. говорит: «Вот так все устроено, и посмотрите, как удивительно похожи теории», это не значит, что в Природе все на самом деле так похоже, а значит, что физики только и были способны повторять одно и то же снова и снова.

Другая возможность состоит в том, что это на самом деле все одно и то же, что у Природы есть только один способ выражаться, и потому время от времени Она повторяет свой рассказ.

Третья возможность состоит в том, что все похожие явления – это на самом деле разные стороны одной и той же скрытой от нас большой картины, части которой, взятые по отдельности, кажутся разными, как пальцы на одной руке. Многие физики трудятся над созданием великой картины, объединяющей все в одну сверхсупермодель. Это восхитительная игра, но в настоящее время игроки никак не договорятся о том, что представляет собой эта великая картина. Я лишь немного преувеличу, если скажу, что в большинстве этих спекулятивных теорий не больше глубокого смысла, чем в вашем предсказании t -кварка, и я гарантирую, что они предсказывают массу t -кварка ничуть не лучше вас!

Например, кажется, что электроны, нейтрино, d -кварк и u -кварк чем-то похожи – действительно, как два первых, так и два вторых взаимодействуют с W -бозоном. В настоящее время считается, что кварк может менять только «цвет» и «аромат». Но, возможно, он способен превратиться в нейтрино, провзаимодействовав с какой-то неизвестной частицей. Хорошая идея. Что тогда будет? Это будет означать, что протоны нестабильны.

Кто-то придумывает теорию: протон нестабилен. Проводятся вычисления, которые показывают, что во Вселенной больше не будет протонов! Тогда начинают подгонять числа, повышают массу новой частицы и после больших усилий предсказывают, что протон будет жить чуть дольше, чем время, за которое, судя по последним экспериментальным данным, он не распадается.

Когда появляется новый эксперимент и проводятся более тщательные исследования протона, то, чтобы вывернуться, теориям приходится приспосабливаться. Самые последние эксперименты показали, что протон живет по крайней мере в пять раз дольше, чем могла допустить теория. И что, вы думаете, произошло? Феникс опять воскрес, с новой модификацией теории, которая требует еще более точной экспериментальной проверки. Распадается или не распадается протон, неизвестно. Доказать, что он не распадается, очень трудно.

Во всех этих лекциях я не обсуждал гравитацию. Причина этого заключается в крайней малости гравитационного взаимодействия между объектами: соответствующая сила между двумя электронами в 1 с 40 нулями раз слабее электрической (возможно, с 41 нулем). В веществе почти все электрические силы тратятся на удержание электронов вблизи ядра их атома, что создает точно уравновешенную смесь «плюсов» и «минусов». Но в случае гравитации имеется только сила притяжения, и она накапливается и накапливается по мере увеличения числа атомов, пока, наконец, дойдя до таких грандиозно больших масс, как наши собственные, мы не получаем возможность измерять действие гравитации – на планеты, на нас и т. д.

Из-за того что гравитационная сила настолько слабее всех других взаимодействий, в настоящее время невозможно провести эксперимент, достаточно тонкий, чтобы измерить какой-нибудь эффект, для объяснения которого потребовалась бы точность квантовой теории гравитации [34]. И хотя нет способа экспериментальной проверки, существуют тем не менее квантовые теории гравитации, содержащие «гравитоны» (принадлежащие к новому типу поляризации, со спином 2) и другие фундаментальные частицы (некоторые со спином 3/2). Даже лучшая из этих теорий не может охватить всех тех частиц, которые мы находим, а изобретает множество частиц, которых мы не находим. Квантовые теории гравитации также имеют бесконечности в диаграммах со взаимодействиями, но «дурацкий прием», который позволяет избавиться от них в квантовой электродинамике, в случае гравитации не помогает. Поэтому у нас нет не только экспериментов для проверки квантовой теории гравитации, у нас нет также и разумной теории.