Фрэнк Вильчек - Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил

На самом деле наблюдаемая универсальность силы тяжести представляла собой большую часть того, что привело Эйнштейна к его теории. В ньютоновском описании гравитации эта универсальность являлась необъяснимым совпадением (или, скорее, бесконечным количеством случайностей, по одной для каждого тела). С одной стороны, сила тяготения, действующая на тело, пропорциональна его массе. С другой стороны, ускорение, испытываемое телом в результате действия данной силы, обратно пропорционально массе. (Это второй второй [46] Здесь, как и много где еще, продолжаются отсылки к шутке про три закона Ома. — Примеч. науч. ред. закон движения Ньютона. Оригинальный второй закон движения формулируется так: F = mа ; а этот — так: a = F / m .) Объединив обе эти идеи, мы обнаруживаем, что гравитационное ускорение тела — фактическое возмущение его движения, совершенно не зависит от его массы!

И это именно то, что мы наблюдаем: движение не зависит от массы. Наблюдаемое поведение является универсальным : под действием силы тяжести все тела ускоряются одинаково. Однако в описании Ньютона для этого нет никаких причин. Это еще одна из тех вещей, которые работают на практике, но не в теории. Сила тяжести, действующая на тело, не обязана быть пропорциональной его массе. Нам, конечно же, известны силы, которые не пропорциональны массе, например электрические силы.

В теории Эйнштейна гравитационное «совпадение» объяснено. Вернее, оно преодолено: мы не должны отдельно говорить о силе и реакции на нее, которые зависят от массы противоположным образом. У нас просто есть тела, делающие все возможное, чтобы двигаться прямо сквозь искривленное пространство-время. Это глубокая простота в лучшем выражении.

Универсальность и объединение.Когда мы приступаем к поиску единой теории, включающей все силы природы, сочетание универсальности гравитации и ее (кажущейся) слабости представляет большую сложность. Далее перечислены возможные альтернативы.

• Сила тяжести может быть получена из других фундаментальных сил. Поскольку она оказывает небольшой (слабый) эффект, вероятно, сила тяжести является побочным продуктом, небольшим остатком после практически полного уравновешивания эффектов противоположных электрических или цветных зарядов или чего-то еще более экзотического. В таком случае почему она должна быть универсальной? Остальные силы точно не являются универсальными: кварки, а не электроны участвуют в сильном взаимодействии; электроны и кварки, но не фотоны или цветные глюоны подвергаются влиянию электромагнитных сил. Трудно себе представить простую универсальную силу, которая оказывала бы одинаковое влияние на все частицы, состоящие из таких однобоких компонентов.

• Другие силы могут быть получены из силы тяжести. Легко представить себе, как неуниверсальные силы могут возникать из одной универсальной. Для универсальных уравнений с энергией, сконцентрированной в небольших областях пространства, могут существовать несколько различных решений; мы могли бы интерпретировать эти решения как частицы с различными свойствами. (По-видимому, сам Эйнштейн надеялся создать теорию материи, основываясь на этих соображениях.) Однако трудно себе представить, как невероятно слабая сила может породить гораздо более мощные.

• Все силы могут казаться имеющими одну основу, как различные аспекты единого целого (возможно, связанные симметрией), подобно разным сторонам игральной кости. Но опять же эту идею трудно примирить с тем фактом, что гравитация намного слабее по сравнению с другими силами.

С другой стороны, вера в возможность объединения сил приводит нас в состояние отрицания. Мы не можем признать, что гравитация на самом деле слаба, хотя нам и кажется, что это так. Видимость, или, вернее, наша интерпретация, должно быть, вводит нас в заблуждение.

Теоретически гравитация не должна быть слабой. Но на практике так и есть. Суть этого парадокса состоит в том, что сила тяжести, безусловно, кажется слабой нам. Что с нами не так?

Мы измеряем силу тяжести по ее влиянию на материю. Наблюдаемая нами сила гравитации пропорциональна массе тел, которые мы используем, чтобы ее наблюдать. Масса этих тел практически полностью складывается из масс протонов и нейтронов, из которых они состоят.

Итак, если гравитация кажется слабой, как мы уже видели, мы можем винить либо саму гравитацию за малодушие, либо протоны (и нейтроны) — за легковесность.

Высокая теория предполагает, что мы должны рассматривать силу тяжести в качестве фундаментальной. С этой точки зрения сила тяжести является только тем, чем является, — она не может быть объяснена с точки зрения ничего более простого. Таким образом, если мы хотим примирить теорию с практикой, мы должны ответить на вопрос:

«Почему протоны такие легкие?»

Постановка правильного вопроса часто является решающим шагом на пути к достижению понимания. Хорошие вопросы — это вопросы, на которые мы можем найти ответ. Поскольку мы достигли глубокого понимания происхождения массы протона, мы готовы ответить на вопрос, почему протоны такие легкие.

Почему протоны такие легкие? Поскольку мы понимаем, откуда берется масса протона, мы можем дать красивый ответ на этот вопрос. Этот ответ устраняет главный барьер на пути к единой теории взаимодействий и призывает нас отправиться на поиски такой теории.

Давайте кратко повторим, как протон получил свою массу, стараясь в процессе этого найти то, что обусловливает малую величину этой массы. (Это резюмирует часть главы 10.)

Масса протона возникает как компромисс между двумя конфликтующими эффектами. Цветной заряд, переносимый кварками, возмущает глюонное поле вокруг них. Данное возмущение мало вначале, но возрастает по мере удаления от кварка. Эти возмущения в глюонном поле связаны с затратами энергии. Стабильными будут состояния с наименьшей возможной энергией, поэтому «дорогостоящие» возмущения придется отменить. Возмущение, вызываемое цветным зарядом кварка, может обнулить находящийся поблизости антикварк с противоположным зарядом или — как это происходит в протонах — два дополнительных кварка с дополнительными цветными зарядами. Если бы аннулирующие кварки располагались непосредственно поверх исходного кварка, то не осталось бы никакого возмущения. Это, конечно же, привело бы к (нулевому) возмущению с наименьшей возможной (нулевой) энергией.

Тем не менее квантовая механика предполагает разнообразные энергетические затраты, вынуждающие идти на компромисс. Квантовая механика утверждает, что кварк (или любая другая частица) не имеет определенного положения. Он обладает диапазоном возможных положений, описанным его волновой функцией. Иногда мы говорим не о частицах, а о волнах-частицах, чтобы подчеркнуть этот фундаментальный аспект квантовой теории. Чтобы привести волну-кварк в состояние с малым разбросом положений, мы должны позволить ему иметь большую энергию. Короче говоря, для локализации кварка требуется энергия. Полное ее обнуление, которое мы рассматривали в предыдущем абзаце, потребовало бы того, чтобы обнуляющие кварки имели точно такое же положение, что и исходные кварки. Это не сработает, поскольку энергетическая стоимость локализации является непомерно высокой.