Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Единственной не ясной пока стороной Стандартной модели является механизм нарушения симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий, который придает W- и Z-частицам их массы. Если бы у W- и Z-частиц не было массы, то они имели бы всего два спиновых состояния, как у невесомого фотона с его правой и левой поляризацией, тогда как массивные частицы со спином 1 имеют три спиновых состояния; таким образом, нарушение симметрии, в результате которой W- и Z-частицы получают массу, добавляет дополнительные спиновые состояния W- и Z-частицам. Теории нарушения электрослабой симметрии можно разделить на две категории в зависимости от того, являются ли дополнительные квантовые состояния элементарными, как в исходной форме Стандартной модели, или составными, как в теориях техницвета. В некоторой степени основная задача, для решения которой проектировались Большой адронный коллайдер и злополучный Сверхпроводящий суперколлайдер, заключалась в том, чтобы окончательно решить вопрос, каким частицам соответствуют дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц — элементарным или составным [72] Этот вопрос был разрешен с открытием бозона Хиггса, описанным в главах 12 и 13. Дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц являются элементарными и связаны с бозоном Хиггса симметриями теории электрослабого взаимодействия. .

На этом история могла бы закончиться, но с конца 1970-х гг. наше понимание квантовой теории поля сделало еще один поворот. Мы осознали, что любые частицы при достаточно низких энергиях могут быть описаны с помощью полей, входящих в так называемые эффективные квантовые теории, независимо от того, являются ли эти частицы элементарными или нет. Например, даже если поля нуклонов и пионов не появляются в уравнениях Стандартной модели, мы можем рассчитать скорости процессов с участием низкоэнергетических пионов и нуклонов с помощью эффективной квантовой теории поля, в которой фигурируют поля пионов и нуклонов, а не кварков и глюонов. В рамках такой теории пионы и нуклоны являются элементарными частицами, а атомные ядра — нет. Если мы используем теорию поля подобным образом, мы просто следуем общим принципам релятивистских квантовых теорий с учетом соответствующих симметрий; на самом деле мы не делаем никаких допущений о фундаментальных физических структурах.

С этой точки зрения мы имеем право говорить только о том, что кварки и глюоны «более элементарны», чем нуклоны и пионы, поскольку их поля фигурируют в Стандартной модели — теории, которая применима в более широком диапазоне энергий, чем эффективная теория поля, описывающая нуклоны и пионы при низких уровнях энергии. Мы не можем прийти к какому-то окончательному решению об элементарности самих кварков и глюонов. Стандартная модель является, вероятно, только эффективной квантовой теорией поля, приближением к более фундаментальной теории, для раскрытия деталей которой потребуются энергии частиц, намного превышающие возможности современных ускорителей, и возможно, в этой теории можно будет вообще обойтись без кварков, лептонов или калибровочных полей.

Есть вероятность, что кварки, лептоны и другие частицы Стандартной модели сами состоят из еще более элементарных частиц. Тот факт, что мы не видим структуру кварков и лептонов, говорит только о том, что энергия связи в этих частицах должна быть довольно высока — больше нескольких триллионов электронвольт. И на сегодняшний день никому пока не удалось разработать убедительную теорию для таких систем.

Мы не сможем дать окончательный ответ на вопрос, какие из частиц являются элементарными, пока у нас не будет окончательной теории взаимодействий и теории материи. Когда у нас появится такая теория, мы, возможно, обнаружим, что элементарные физические структуры вовсе не являются ни частицами, ни полями. Многие теоретики считают, что фундаментальная теория должна представлять собой что-то вроде теории струн, в которой кварки, лептоны и т. д. всего лишь различные моды колебаний элементарных струн. А определить какой-то один набор струн в качестве элементарных, кажется, невозможно в принципе, поскольку, как недавно стало понятно, разные теории струн с разными типами струн зачастую эквивалентны.

Из всего этого можно вынести один урок. Задача физики не в том, чтобы ответить на набор неизменных вопросов о природе, вроде вопроса об элементарных частицах. Мы не знаем заранее, как правильно сформулировать вопрос, и зачастую мы сможем это выяснить, только когда окажемся близки к ответу на него.

В июле 2010 г. редактор журнала The New York Review of Books Роберт Сильверс обратился ко мне с просьбой написать рецензию на новую книгу Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Высший замысел» (The Grand Design, Bantam Books, 2011) [73] Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел. — М.: АСТ, 2017. . Обычно я рецензирую книгу только в том случае, когда вижу, что это даст мне возможность высказаться по некоторой интересующей меня проблеме. Пролистывая присланный Сильверсом сигнальный экземпляр, я понял, что в книге рассматривается по-настоящему серьезный вопрос, который занимал меня многие годы: действительно ли то скопление галактик, которое мы наблюдаем вокруг нас, расширяется во всех направлениях на миллиарды световых лет и представляет собой всю Вселенную, или это лишь часть одной из множества подобных вселенных, составляющих Мультивселенную, в которой фундаментальные физические константы имеют различные значения и, возможно, даже сами законы природы принимают разные формы?

Мы не знаем, является ли гипотеза о Мультивселенной верной, но она не лишена смысла. Существует целый ряд гипотетических теорий (теория струн, инфляционная модель и т. п.), которые подразумевают существование Мультивселенной. Никто точно не знает, действительно ли мы живем в Мультивселенной, но если это так, то мы можем сделать важный вывод, который не зависит от того, какая фундаментальная теория лежит в ее основе. Очевидно, что, если физические константы и законы в разных вселенных отличаются, то те константы и законы, которые мы наблюдаем, должны обеспечивать возможность существования разумной жизни в соответствующей вселенной. Таким образом, если окажется, что наблюдаемые нами физические константы и законы идеально подходят для возникновения разумной жизни, тогда нам уже не нужно будет искать объяснение в виде некоторого благожелательного создателя; просто в Мультивселенной все именно так и должно быть. Подобные рассуждения были предложены в качестве возможного объяснения тому факту, что количество темной энергии намного меньше, чем можно было бы ожидать, руководствуясь любыми другими теориями.