Чтение онлайн

* * *

В этом анализе есть очевидный изъян. Есть частица, которая, на наш взгляд, должна существовать, но которую пока так и не удалось обнаружить: это гравитон. Он лёгок и достаточно стабилен, чтобы возникнуть, но гравитация — настолько слабое взаимодействие, что все гравитоны, которые мы могли бы получить в ускорителе частиц, сразу будут поглощены множеством иных образующихся там частиц. Однако гравитация влияет на нашу повседневную жизнь.

Основная причина, по которой гравитация так важна, заключается в следующем. Это дальнодействующая сила, которая накапливается: чем больше у нас вещества, оказывающего гравитационное воздействие, тем сильнее это воздействие. (Такая закономерность может не соблюдаться, скажем, для электромагнетизма, так как положительные и отрицательные заряды обнуляются, а гравитация всегда только усиливается.) Итак, хотя и нет надежды синтезировать или зафиксировать отдельный гравитон при столкновении двух частиц, общее гравитационное воздействие всей Земли даёт существенную силу тяготения.

Возможно, этой лазейкой «пользуется» и какая-то другая сила: при рассмотрении всего нескольких частиц она может быть несущественной, но вдруг она накапливается, если собрать вместе достаточно много материи? Физики уже много лет ищут такое «пятое взаимодействие». Пока ничего не нашли.

Поиск новых взаимодействий значительно упрощается благодаря тому, что обычные объекты состоят всего из трёх видов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Ещё одна черта квантовой теории поля заключается в том, что она не позволяет «включать» и «выключать» воздействия отдельных частиц; соответствующие им поля никуда не деваются. Можно генерировать макроскопические силы, правильно комбинируя положительные и отрицательные заряды, например в электромагните, но поля частиц всегда присутствуют. Итак, нужно искать взаимодействия между частицами этих трёх видов. Физики именно этим и занимаются: ставят безукоризненно точные эксперименты, при которых тела разного состава сначала сближаются друг с другом, а затем вновь удаляются; при этом ищут любой намёк на какое-либо влияние, не связанное с известными силами природы.

Результаты, полученные по состоянию на 2015 год, схематически представлены на следующем рисунке. Любые возможные взаимодействия между двумя заданными видами частиц имеют два числовых параметра: сила этого взаимодействия и расстояние, на котором оно ощущается. (Гравитация и электромагнетизм являются «дальнодействующими» силами, простирающимися фактически на бесконечные расстояния; зона влияния слабых и сильных ядерных взаимодействий очень мала — меньше размера атома.) Проще измерять сильные и при этом дальнодействующие силы. Существование подобных неоткрытых взаимодействий мы уже исключили.

Эксперименты показывают, что силы, которые могли бы действовать на обычную материю, подчиняются примерно таким ограничениям. Если какое-то взаимодействие пока не удалось выявить, то оно либо должно быть совсем слабым, либо действовать на очень небольшом расстоянии

Таким образом, если диапазон действия новой силы составляет более одной десятой доли сантиметра — что было бы необходимым условием, если бы она позволяла гнуть ложки или была тем механизмом, который позволяет Сатурну влиять на вас в момент вашего рождения, — то была бы значительно слабее гравитации. На первый взгляд кажется, «не так уж и слабо», но не забывайте, что сила гравитации исчезающе мала. Всякий раз, когда вы подпрыгиваете, крошечные электромагнитные силы вашего тела позволяют ненадолго преодолеть суммарную гравитацию всей Земли. Столь слабое взаимодействие, как гравитация, — это сила, составляющая одну миллиардную миллиардной миллиардной миллиардной от силы электромагнетизма. Ещё более слабое взаимодействие должно быть полностью пренебрежимо в повседневных условиях.

Здесь, в повседневной реальности, в мире людей, домов и машин, мы полностью каталогизировали все частицы, силы и взаимодействия, которые способны оказывать заметный эффект на что бы то ни было. Это колоссальное интеллектуальное достижение, которым человеческий род может по праву гордиться.

Глава 24

Эффективная теория повседневного мира

Кажется, что все эти рассуждения о частицах и квантовых полях безнадёжно оторваны от «человеческой» части общей картины — вопросов, касающихся нашей личной и общественной жизни. Однако мы состоим из частиц и полей, подчиняющихся незыблемым законам физики. Всё, что мы могли бы предположить о человеке, должно согласовываться с природой и поведением тех частиц, из которых мы состоим, даже если они не дают нам полной картины всего. Понять, что собой представляют эти поля и частицы, как они взаимодействуют, — важнейший шаг к пониманию того, что означает быть человеком.

Из-за ограничений, накладываемых квантовой механикой и теорией относительности, квантовая теория поля оказывается исключительно строгой и неумолимой системой. Ориентируясь на эту строгость, можно прикинуть, насколько хорошо мы протестировали Базовую теорию, конкретную совокупность полей и сил, воздействующих на окружающий мир. Ответ: очень хорошо. Достаточно, чтобы не сомневаться: нам известны все частицы и взаимодействия, релевантные на этом уровне реальности, и в дальнейшем могут быть открыты лишь такие феномены, которые проявляются где-то за его пределами: на более высоких энергиях, коротких дистанциях, в более экстремальных условиях.

Но откуда мы знаем, что даже если мы не в состоянии непосредственно наблюдать новые частицы или поля, то они не могут оказывать некое малозаметное, но важное воздействие на известные нам частицы? Ответ на этот вопрос подводит нас к ещё одному аспекту квантовых полей: так называемой эффективной теории поля. В квантовой теории поля модификатор «эффективный» не означает «результативно работающий и согласующийся с данными». На самом деле эффективная теория — это эмерджентная аппроксимация более глубокой теории. Это специфичная, надёжная и контролируемая аппроксимация — всё благодаря силе квантовой теории поля.

Если у нас есть некоторая физическая система, то одни её аспекты будут нас интересовать, а другие — нет. Эффективная теория моделирует лишь те аспекты системы, которые для нас важны. Не интересующие нас вещи или слишком малозаметны, чтобы привлечь наше внимание, или испытывают такие колебательные изменения, которые в среднем компенсируют друг друга. Эффективная теория описывает макроскопические признаки, возникающие на базе более полного микроскопического описания.

Эффективные теории исключительно полезны в самых разных ситуациях. Когда мы описывали воздух как газ, а не как совокупность молекул, мы фактически использовали эффективную теорию, поскольку движения отдельных молекул нас не волновали. Другой пример: Земля вращается вокруг Солнца. Планета Земля состоит примерно из 1050 отдельных атомов. Практически невозможно описать, как нечто столь сложное движется через пространство, — возможно ли вообще думать о том, чтобы отследить траектории всех этих атомов? Но нам этого и не требуется: можно отслеживать всего одно интересующее нас значение, а именно: положение центра массы Земли. Рассуждая о движении крупных макроскопических объектов, мы почти всегда пользуемся эффективной теорией движения их центров масс.

* * *

Идея эффективной теории применяется повсеместно, но проявляется во всей красе именно при работе с квантовыми полями. Всё дело в догадке нобелевского лауреата Кеннета Уилсона, глубоко задумавшегося о природе «полей» в квантовой теории поля.

Уилсон обратил внимание на факт, не являющийся секретом для физиков: если у нас есть вибрирующее поле, то такие колебания всегда можно разбить на составляющие, которые соответствуют конкретным длинам волн. Именно это мы и делаем, пропуская луч света через призму и разлагая его на радужный спектр: красный цвет — это длинноволновая вибрация электромагнитного поля, синий — коротковолновая, и так со всеми остальными цветами. В квантовой механике частота коротковолновых вибраций выше и, соответственно, они обладают большей энергией, чем длинноволновые. Нас интересуют низкоэнергетические, длинноволновые вибрации; как раз их легко получить и наблюдать в повседневной жизни (если, конечно, в быту вам не приходится иметь дело с ускорителями частиц или высокоэнергетическими космическими лучами).

Итак, Уилсон полагает, что квантовая теория поля по природе своей обладает отличным механизмом для создания эффективных теорий: можно отслеживать лишь длинноволновые/низкоэнергетические вибрации поля. Коротковолновые вибрации никуда не деваются, но на уровне эффективной теории они всего лишь влияют на свойства длинноволновых вибраций. Эффективные теории поля позволяют судить о низкоэнергетических явлениях, а по меркам физики частиц все явления, наблюдаемые в повседневной жизни, — низкоэнергетические.

Например, нам известно, что протоны и нейтроны состоят из u– кварков и d– кварков, которые удерживаются вместе благодаря глюонам. Кварки и глюоны, проносящиеся на огромных скоростях внутри протонов и нейтронов, — это коротковолновые вибрации поля. Нам не требуется ничего о них знать, чтобы рассуждать о протонах и нейтронах и об их взаимодействии друг с другом. Есть эффективная теория протонов и нейтронов, которая превосходно работает, пока мы не пытаемся различить отдельные кварки и глюоны.