Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

Однако мы не упомянули об одном тонком моменте: хотя мы постоянно говорим о частицах, на самом деле это не совсем корректный термин. Это не частицы в общепринятом значении этого слова. Они не перемещаются в пространстве, отскакивая друг от друга, подобно миниатюрным бильярдным шарам. Вместо этого они взаимодействуют друг с другом наподобие того, как взаимодействуют волны на поверхности воды, создавая тени на дне бассейна. Эти частицы имеют волновые характеристики, оставаясь при этом частицами. Такая картина весьма парадоксальна и вытекает из квантовой теории. Точная природа волновых взаимодействий строго (то есть математически) задается основным уравнением. Но откуда мы знали, что именно необходимо включить в это уравнение, когда писали его? По каким принципам оно построено? Прежде чем заняться этими важными вопросами, давайте глубже проанализируем основное уравнение и попытаемся понять, что именно оно означает.

Первая строка уравнения описывает кинетическую энергию, которая переносится частицами W и Z , фотоном и глюоном, и говорит нам о том, как они взаимодействуют друг с другом. Мы еще не обсуждали эту возможность, но она существует: глюоны могут вступать во взаимодействие с другими глюонами, а частицы W и Z могут взаимодействовать между собой. Частица W может также взаимодействовать с фотоном. В этом перечне отсутствует возможность взаимодействия фотонов с фотонами, поскольку оно не происходит. И это большая удача, иначе нам было бы трудно что-либо увидеть. То, что вы можете читать эту книгу, – в каком-то смысле удивительный факт. Дело в том, что свет, исходящий от этой страницы, не отклоняется от пути к вашим глазам под воздействием пересекающего этот путь света от других окружающих вас объектов, которые вы могли бы увидеть, повернув голову. Фотоны буквально проскакивают мимо, не обращая внимания друг на друга.

Б о льшая часть действия происходит во второй строке основного уравнения. Эта строка демонстрирует, как каждая частица материи во Вселенной взаимодействует с остальными частицами. В ней отображены взаимодействия, посредниками в которых выступают фотоны, частицы W и Z , а также глюоны. Кроме того, во второй строке отображена кинетическая энергия всех частиц материи. Третью и четвертую строки уравнения мы не будем пока рассматривать.

Как мы уже подчеркивали, за исключением гравитации в основном уравнении отображены все известные нам фундаментальные законы физики. Это уравнение включает в себя закон электростатического отталкивания в том виде, в котором его описал в количественной форме Шарль Огюстен де Кулон [50]в конце XVIII столетия, а также все аспекты электричества и магнетизма, если уж на то пошло. Понятия, введенные Фарадеем, и прекрасные уравнения Максвелла становятся очевидными, если мы «спросим» основное уравнение, как частицы с электрическим зарядом взаимодействуют друг с другом. И конечно же, вся эта формула твердо опирается на специальную теорию относительности Эйнштейна. В действительности та часть стандартной модели, которая объясняет, как взаимодействуют свет и материя, называется квантовой электродинамикой. Слово «квантовая» напоминает нам, что квантовая теория внесла некоторые, в большинстве случаев совсем незначительные, изменения в уравнения Максвелла, повлекшие за собой едва заметные последствия, которые впервые изучал в середине XX века Ричард Фейнман и другие ученые. Как мы уже видели, основное уравнение содержит также физические основы сильных и слабых взаимодействий. Свойства этих трех сил природы описаны в уравнении во всех деталях, а это означает, что правила игры сформулированы с математической точностью, без какой бы то ни было неопределенности и избыточности. Таким образом, если оставить в стороне гравитацию, мы имеем некий приближенный вариант теории великого объединения. Справедливо также то, что ни в ходе экспериментов, ни в процессе наблюдения космического пространства никто так и не нашел никаких доказательств того, что во Вселенной действует некая пятая сила. Большинство повседневных явлений можно полностью объяснить с помощью законов электромагнетизма и гравитации. Слабое взаимодействие поддерживает горение Солнца, но в повседневной жизни на Земле оно почти не ощущается. С другой стороны, сильное взаимодействие сохраняет целостность атомных ядер, но редко распространяется за пределы ядра, а значит, эта огромная сила не проявляет своего действия в нашем макроскопическом мире. Иллюзию того, что такие твердые вещи, как столы и стулья, на самом деле твердые, поддерживает электромагнитное взаимодействие. На самом деле материя – это главным образом пустое пространство. Представьте себе, что вы увеличили атом настолько, что его ядро стало размером с горошину. В таком случае электроны были бы песчинками, с высокой скоростью вращающимися вокруг ядра на расстоянии в один километр, а все остальное – пустота. Аналогия с песчинкой – в какой-то мере преувеличение, так как мы не должны забывать, что элементарные частицы действуют скорее как волны, а не как песчинки. Но этой аналогией мы хотели показать относительный размер атома в сравнении с размером ядра, расположенного в его центре. Твердость возникает, когда мы пытаемся протолкнуть облако вращающихся вокруг ядра электронов через облако электронов соседнего атома. Поскольку электроны имеют электрический заряд, эти облака отталкиваются и не дают атомам пройти сквозь друг друга, хотя они и представляют собой в основном пустое пространство. Мысль о пустоте материи возникает, когда мы смотрим через окно. Хотя оконное стекло кажется твердым, свет без труда проходит сквозь него, позволяя нам увидеть окружающий мир. В каком-то смысле удивительно другое: почему непрозрачен брусок дерева!

Безусловно, тот факт, что можно описать так много физических законов одним уравнением, производит впечатление. Это красноречивее всяких слов говорит в пользу утверждения Юджина Вигнера о «непостижимой эффективности математики». Почему бы этому миру не быть гораздо сложнее? Разве есть у нас право втискивать так много физических явлений в одно уравнение? Разве мы не должны вносить все эти явления и факты в огромные базы данных и энциклопедии? На самом деле никто не знает, почему природа позволяет описывать себя в столь краткой форме, но верно и то, что такая бесспорная исходная элегантность и простота и есть одна из причин, почему многие физики занимаются своим делом. Напоминая себе о том, что природа может и не подчиняться столь чудесному упрощению, мы можем хотя бы какое-то время восхищаться той глубинной красотой, которую открыли.