Вселенная

Другой важный вывод применим ко всем интерпретациям квантовой механики: наблюдаемая нами картина мира очень отличается от складывающегося у нас описания ненаблюдаемого мира. По мере того как на протяжении веков человек приобретал новые знания, мы были вынуждены радикально реорганизовывать наши планеты убеждений, чтобы соотнести их с новыми представлениями о физической Вселенной, и квантовая механика — определённо одна из таких переделок. В некотором смысле она является окончательной унификацией: оказывается, на глубочайшем уровне реальности не просто нет таких вещей, как «горы» и «океаны», — там нет даже «электронов» и «фотонов». Есть только квантовая волновая функция. Всё остальное — условные описания.

Глава 22

Базовая теория

Насколько нам сейчас известно, Вселенная устроена по законам квантовой механики. Но квантовая механика — это не конкретная теория для описания мира, а контекст, в рамках которого могут быть сформулированы те или иные теории. Точно так же, как классическая механика включает в себя теорию движения планет вокруг Солнца или теорию электричества и магнетизма, или даже эйнштейновскую общую теорию относительности, существует огромное число самостоятельных физических моделей, считающихся «квантовомеханическими». Если мы хотим знать, как именно устроен мир, то должны спросить: «Квантовомеханическая теория чего?».

Возможно, сразу захочется ответить: «Частиц и взаимодействий». Например, говоря об атоме, мы знаем, что его ядро — это совокупность частиц, которые называются протонами и нейтронами, а частицы, вращающиеся вокруг ядра, называются электронами. Протоны и нейтроны удерживаются вместе под действием силы ядерного взаимодействия, а электроны удерживаются вокруг ядра под действием другой силы (силы электромагнитного взаимодействия). Все физические тела притягиваются друг к другу под действием ещё одной силы (гравитационного взаимодействия). Логично предположить, что мир состоит именно из частиц и взаимодействий, и эту фундаментальную материю описывает квантовая теория реальности.

Почти так, но не совсем. Наша наилучшая теория мира — как минимум в той области применения, которая включает повседневный опыт, — делает ещё один шаг в сторону унификации и полагает, что и частицы, и взаимодействия возникают из полей. Поле в некотором отношении противоположно частице; частица занимает определённое место в пространстве, а поле простирается через всё пространство и в каждой точке пространства имеет конкретное значение. Согласно современной физике, все частицы и взаимодействия, благодаря которым образуются атомы, возникают из полей. Такая концепция называется квантовой теорией поля. Именно квантовая теория поля со всей определённостью свидетельствует о том, что нельзя согнуть ложку силой мысли и что нам известны все частички, из которых состоим я и вы.

А из чего состоят поля? Из ничего. Поля — это то, из чего образовано всё остальное. Конечно, может существовать и более глубокий уровень реальности, но он пока не найден.

* * *

Трудно не согласиться с тем, что все силы природы возникают из полей, заполняющих пространство. Наш старый знакомый Пьер-Симон Лаплас впервые показал, что ньютоновская теория тяготения может считаться описанием «поля гравитационных потенциалов», которое отталкивается и притягивается телами, движущимися во Вселенной. Теория электромагнетизма, сформулированная в XIX веке шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом и его современниками, даёт общее описание электрических и магнитных полей.

А что же частицы? Кажется, что частицы и поля диаметрально противоположны друг другу: частица находится в конкретном месте, а поле распределено повсюду. Мы же не будем утверждать, что такая частица, как электрон, возникает из некоего «электронного поля», заполняющего пространство?

Именно это мы и будем утверждать. Причём такую связь обеспечивает квантовая механика.

Фундаментальное свойство квантовой механики заключается в том, что, когда мы наблюдаем тот или иной феномен, он выглядит иначе, нежели в момент, когда мы его не наблюдаем. Когда мы измеряем энергию электрона, вращающегося вокруг ядра, мы получаем конкретный ответ, и этот ответ — один из некоторого множества допустимых вариантов. Однако когда мы не наблюдаем электрон, его состояние является суперпозицией всех этих возможных результатов.

С полями та же история. Согласно квантовой теории поля, существуют определённые базовые поля, из которых состоит мир, и волновая функция Вселенной — суперпозиция всех возможных значений, которые могут принимать эти поля. Если мы наблюдаем квантовые поля — очень внимательно, при помощи достаточно точных инструментов, — то видим отдельные частицы. В случае электромагнитного ноля эти частицы называются «фотонами», а частица гравитационного поля называется «гравитон». Мы ещё ни разу не наблюдали отдельный гравитон, поскольку гравитационное поле очень слабо и взаимодействует с другими полями, но базовая структура квантовой теории поля не оставляет сомнений в том, что гравитоны существуют. Если поле сохраняет постоянное значение во времени и в пространстве, то мы ничего не обнаруживаем, но, как только поле начинает вибрировать, мы можем наблюдать эти вибрации в виде частиц.

Существуют две основные разновидности полей и ассоциированных с ними частиц; эти частицы называются «бозонами» и «фермионами». Бозоны, например фотон и гравитон, могут сбиваться в кучи, образуя при этом силовые поля. Фермионы занимают место в пространстве; в любом месте в любое время может находиться только один фермион. Из фермионов, к числу которых относятся электроны, протоны и нейтроны, состоят материальные объекты, например вы, я, стулья, планеты; причём все тела, образованные из фермионов, кажутся твёрдыми. Два электрона, которые являются фермионами, не могут одновременно находиться в одном и том же месте; в противном случае объекты, состоящие из атомов, просто сколлапсировали бы, уменьшившись до микроскопических размеров.

* * *

Обычная материя, из которой состоим и вы, и я, и Земля, и всё, что вы видите вокруг, на самом деле слагается всего из трёх видов частиц и трёх типов взаимодействий. Электроны в атоме связаны с ядром посредством электромагнетизма, а само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе посредством ядерного взаимодействия. Разумеется, вся материя находится под действием гравитации. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из двух типов более мелких частиц: u– кварков и d– кварков. Кварки удерживаются вместе под влиянием сильного ядерного взаимодействия, обусловленного частицами, которые называются «глюоны». «Ядерное взаимодействие» между протонами и нейтронами — это своеобразная «отдача» сильного ядерного взаимодействия. Ещё есть слабое ядерное взаимодействие, обусловленное W– бозонами и Z– бозонами, благодаря которому все частицы могут взаимодействовать с последним неупомянутым фермионом — нейтрино. Четыре фермиона (электрон, нейтрино, u– кварки и d– кварки) — представители лишь одного поколения фермионов, а всего таких поколений три. Наконец, все эти частицы существуют в поле Хиггса, сообщающем массу всем частицам, которые её имеют.

Поля и ассоциированные с ними частицы, из которых состоит окружающий мир

На рисунке показана совокупность основных полей и ассоциированных с ними частиц. Это более подробная схема атома водорода, который мы уже рассматривали в главе 20. Два поколения более тяжёлых фермионов здесь не указаны, поскольку эти частицы обычно очень быстро распадаются. Только те частицы, что показаны на этом рисунке, существуют достаточно долго и образуют объекты окружающего мира. Полный набор частиц рассматривается в приложении.

* * *

Физики подразделяют наши теоретические представления об этих частицах и взаимодействиях на две великие теории: стандартную модель физики частиц, охватывающую все упомянутые здесь феномены, кроме гравитации, и общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию как кривизну пространства–времени. Нам недостаёт полной «квантовой теории гравитации» — такой модели, которая бы основывалась на принципах квантовой механики и согласовывалась с общей теорией относительности при рассмотрении явлений в «классическом» ключе. Теория суперструн — одна из многообещающих кандидатур на роль такой модели, но пока мы просто не умеем рассуждать о ситуациях, когда гравитация очень сильна — например, такая, как вскоре после Большого взрыва или внутри чёрной дыры, если говорить в терминах квантовой механики. Один из величайших вызовов настоящего времени, которым озабочены физики-теоретики со всего мира, — выработать такой способ рассуждения.