Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания - Пол Хэлперн

К тому времени было открыто так много новых элементарных частиц, что оказалось критически важно понять, какие из известных фермионов являются действительно элементарными. Большинство физиков уже подозревали, что протоны и нейтроны не являются элементарными, а состоят из более мелких частей. Эти части поначалу называли по-разному, но в конце концов физическое сообщество остановилось на термине кварк, который предложил Мюррей Гелл-Манн. Он заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мистера Марка!» Поскольку и протоны, и нейтроны состоят ровно из трех кварков (так же, как и все частицы в данной категории, называемые барионами), такое название показалось вполне подходящим.

После того как кварки были математически описаны, оказалось, что они группируются по нескольким различным семействам, называемым поколениями. Первое поколение состоит из верхнего и нижнего кварков, из которых построены протоны и нейтроны. Второе поколение включает странный и очарованный кварки, образующие более массивные экзотические частицы. Наконец, третье, еще более тяжелое поколение состоит из прелестного и истинного кварков, которые не были обнаружены вплоть до 1980-х (прелестный) и 1990-х (истинный) годов. Каждое поколение кварков также содержит античастицы той же массы, но противоположного заряда, называемые антикварками. Конкретные сорта кварков, такие как очарование или странность, называются ароматами[18].

Лептоны (частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии) точно так же делятся на три поколения. Первое состоит из электронов и нейтрино — очень легких и быстро движущихся частиц. Второе включает мюоны и мюонные нейтрино. Массивные таоны и may-нейтрино составляют третье поколение.

В отличие от попыток объединения известных взаимодействий, которые предпринимали Эйнштейн и Шрёдингер, теория электрослабого объединения предлагает большое количество конкретных и проверяемых предсказаний. Среди них: существование слабого нейтрального тока (обмена виртуальными Z-бозонами наподобие передачи заряда), существование W+, W- и Z0-бозонов определенной массы, а также бозона Хиггса. В 1970-е и 1980-е годы эксперименты на ускорителе частиц в ЦЕРНе (Европейской организации по ядерным исследованиям) близ Женевы в Швейцарии подтвердили каждое из этих предсказаний, за исключением последнего. И наконец, существование бозона Хиггса было доказано благодаря изучению данных о столкновениях частиц, полученных на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Наряду с электрослабым взаимодействием Стандартная модель также включает теоретическое описание сильного взаимодействия, которое предполагает обмен частицами, называемыми глюонами. Они создают «клей», который как бы «склеивает» кварки вместе и удерживает их в группах по три (или в кварк-антикварковых парах в случае мезонов). По аналогии с положительными и отрицательными электрическими зарядами каждый кварк имеет цветовой заряд. «Цвет» в данном случае не имеет ничего общего с внешним видом, это просто условное обозначение для определенной сохраняющейся величины. Сильное взаимодействие возникает естественным образом за счет обмена глюонами между кварками разных цветов. Квантовая теория поля, описывающая этот процесс, называется квантовой хромодинамикой (КХД) по аналогии с квантовой электродинамикой.

Сегодня, когда мы знаем, как формировалась Стандартная модель, газетная шумиха вокруг каждой версии единой теории поля Эйнштейна и Шрёдингера, претендовавшей на то, чтобы стать окончательным описанием Вселенной, кажется смешной. Понимание природы, устоявшееся в последние десятилетия, кардинально отличается от того, которое было во времена Второй мировой войны. Очевидно, что у Вселенной еще много сюрпризов в рукаве. Может ли так получиться, что новые открытия когда-нибудь сделают устаревшей и Стандартную модель?

Открытые вопросы

На протяжении многих лет предсказания Стандартной модели проверялись с невероятно высокой точностью снова и снова. По этому критерию она является чрезвычайно успешной теорией, объясняющей все: от магнитов на холодильник до солнечного излучения. Она предлагает беспрецедентное объединение трех фундаментальных сил природы из четырех. Только гравитацию не удалось включить в эту теорию.

Такой же степенью достоверности обладает и общая теория относительности. Многочисленные высокоточные эксперименты подтвердили многие предсказания виртуозной теории гравитации, предложенной Эйнштейном. Возьмем, например, недавние спутниковые измерения явления, называемого увлечением инерциальных систем отсчета и предложенного старым другом Шрёдингера Хансом Тиррингом и австрийским физиком Йозефом Лензе еще в 1918 году. Эффект Лензе — Тирринга предсказывает искривление пространства-времени вблизи Земли из-за ее вращения. Единственное крупное предсказание общей теории относительности, которое еще прямо не подтверждено, — это существование гравитационных волн, описанных Эйнштейном также в 1918 году[19].

Объедините Стандартную модель с общей теорией относительности — и вы получите эффективный набор инструментов для изучения множества явлений природы. Но будет ли его достаточно? Нет. Имеется несколько важных феноменов, которые ни одна из этих теорий объяснить не может. Темная энергия — фактор, отвечающий за ускоренное расширение Вселенной, и темная материя — невидимая субстанция, которая удерживает галактики, чтобы они не разлетались, — вот тайны, аналогичные тем, которым бросили вызов пионеры квантовой физики. Я уже писал, что темная энергия как будто соответствует понятию космологической постоянной, предложенной (и позже отвергнутой) Эйнштейном, необходимость которой позже отстаивал Шрёдингер. Однако никто не понимает физическую природу темной энергии, которая действует как своего рода антигравитация.

Природа темной материи — еще одна загадка современности. Впервые обнаруженная еще в 1930-е годы швейцарским астрономом Фрицем Цвикки при изучении скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, темная материя представляет собой невидимую массу, необходимую для гравитационной стабильности астрономических структур. Поскольку научное сообщество не придало особого значения наблюдениям Цвикки, потребовались еще полвека, прежде чем начались серьезные исследования природы темной материи. Импульсом к ним послужило открытие астрономами Верой Рубин и Кентом Фордом того факта, что в Туманности Андромеды и других галактиках не хватает видимого вещества для обеспечения высокой скорости движения периферийных звезд, которая выводилась из наблюдений за вращением галактик. Кажется, что галактики вращаются, как карусели, у которых быстрые, отдаленные от центра, лошадки разгоняются невидимыми механизмами. Начиная с 1980-хгодов физики и астрономы ведут поиски тусклых астрономических объектов и/или невидимых частиц, способных создать достаточно сильное гравитационное поле, чтобы их можно было причислить к темной материи. В последнее время ученые сосредоточили свое внимание на поиске холодных (медленно движущихся) частиц темной материи, которые участвуют в слабом и гравитационном взаимодействиях, но не участвуют в электромагнитном (отсюда их невидимость). Поиски таких частиц проводились в переоборудованных тоннелях шахт глубоко под землей, чтобы избежать «шума» от обычных частиц, а также экранироваться от космического излучения. На момент написания этой книги убедительные доказательства существования частиц темной материи так и не были получены.

Если бы темная энергия и темная материя были достаточно редкими явлениями, то, возможно, мы могли бы не торопиться с их объяснением и заняться другими нерешенными физическими проблемами. Но дело в том, что вместе они составляют 95% всей массы во Вселенной. Согласно последним астрономическим расчетам, 68% массы Вселенной — это темная энергия, 27% — это темная материя и лишь 5% — это то, что можно объяснить с помощью Стандартной модели и общей теории относительности. Некоторые ученые предлагают идти путем Эйнштейна и модифицировать общую теорию относительности. Однако большая часть физического сообщества признает потрясающую успешность и Стандартной модели, и общей теории относительности в описании того, что мы реально можем наблюдать. Желание не испортить достигнутый успех ставит перед физиками сложный вопрос: как продвинуться дальше и, возможно, даже объединить эти два шедевра XX века.