Истина и красота. Всемирная история симметрии. - Иэн Стюарт

Современная физика выделяет четыре различных вида сил в природе — гравитацию, электромагнетизм, слабые ядерные силы и сильные ядерные силы. Все они обладают очень различными характеристиками: они действуют на разных масштабах пространства и времени, некоторые из них заставляют частицы притягиваться, некоторые — отталкиваться, некоторые — делать и то и другое в зависимости от частиц и, наконец, некоторые — делать и то и другое в зависимости от того, на каком расстоянии друг от друга частицы находятся.

На первый взгляд каждая сила мало напоминает остальные. Но в глубине под поверхностью вещей имеются указания, что эти различия на самом деле не так велики, как кажется. Физики смогли получить свидетельства глубокого единства, подсказывающего, что все четыре силы имеют общее объяснение.

Следствия гравитации мы ощущаем на себе постоянно. Когда мы роняем тарелку и она разбивается об пол в кухне, мы наблюдаем, как гравитация тянет ее по направлению к центру Земли, а пол встает у нее на пути. Поросята на дверце холодильника (у нас дома, по крайней мере, это именно поросята) держатся там благодаря магнитной силе, относительно которой Максвелл установил, что она есть всего лишь один аспект объединенной электромагнитной силы. Ее электрическое проявление обеспечивает работу холодильника. Менее очевидным образом, разбившаяся тарелка также демонстрирует проявления электромагнитной силы, потому что именно она в основном действует в химических связях, удерживающих вместе куски материи. Когда напряжение в тарелке становится настолько велико, что электромагнитная сила больше не может удерживать молекулы вместе, тарелка бьется.

Две оставшиеся силы, действующие на уровне атомного ядра, проявляются не так непосредственно; но без них не было бы вообще никакой материи, потому что благодаря им атомы представляют собой единое целое[86]. Они — причина, по которой тарелки, поросята, холодильник, пол и кухня существуют.

Силы других типов могли бы в принципе породить вселенную иного типа, и нам о таких возможностях не известно практически ничего. Нередко утверждается, что без наших конкретных сил жизнь была бы невозможна, что как бы доказывает, что наша вселенная на удивление хорошо подогнана к тому, чтобы жизнь в ней была возможна. Этот неверный аргумент — колоссальное преувеличение, основанное на определенном взгляде на то, что составляет жизнь. Жизнь, подобная нашей, была бы невозможна, но верхом самонадеянности было бы считать, что жизнь нашего типа — это единственно возможный вид сложной организации, который мог бы существовать. Логическая ошибка состоит здесь в смешении достаточных условий для жизни (те аспекты нашей вселенной, от которой зависит жизнь нашего типа) с необходимыми.

Первой из четырех была научно сформулирована сила гравитации. Согласно Ньютону, это притягивающая сила: любые две частицы во вселенной, утверждал он, притягивают друг друга гравитационно. Гравитационная сила — дальнодействующая: она спадает с расстоянием достаточно медленно. С другой стороны, гравитационная сила намного слабее остальных трех: малюсенький магнитик может крепко удерживать поросенка на холодильнике, несмотря на то что вся Земля пытается притянуть его к себе за счет гравитационной силы.

Следующим по очереди среди фундаментальных сил был осознан электромагнетизм, за счет которого частицы могут или притягивать, или отталкивать друг друга. Тот или иной случай реализуется в зависимости от того, имеют ли частицы электрические заряды одного знака и одну и ту же магнитную полярность. Если да, то сила оказывается отталкивающей; если нет — притягивающей. И эта сила также дальнодействующая.

Ядра в атоме составлены из меньших частиц — протонов и нейтронов. Нейтроны, как можно заключить уже из их названия, не несут электрического заряда, но все протоны имеют положительный заряд. Электромагнитное отталкивание между протонами должно бы вызвать распад ядра. Что же удерживает ядро в виде одного целого? Гравитация слишком слаба — вспомните о поросятах на холодильнике. Должна существовать некая другая сила — которую физики назвали сильным ядерным взаимодействием.

Но если сильное взаимодействие может преодолеть электрическое отталкивание, то почему же все протоны во вселенной не слиплись в одно гигантское атомное ядро? Дело в том, что влияние сильного взаимодействия быстро спадает с расстоянием, как только расстояние превышает размер ядра. Итак, сильное взаимодействие является короткодействующим.

Сильное взаимодействие не объясняет явление радиоактивного распада, когда атомы определенных элементов «выплевывают» частицы и излучение, превращаясь при этом в атомы других элементов. Уран, например, является радиоактивным и в конце концов превращается в свинец. Таким образом, должна существовать еще одна субатомная сила. Ею оказывается слабое взаимодействие; оно даже еще более короткодействующее, чем сильное взаимодействие: оно действует только на расстояниях в одну тысячную размера протона[87].

Физика была неизмеримо проще, когда единственными «кирпичиками» материи считались протоны, нейтроны и электроны. Эти «элементарные частицы» составляли атомы, которые, как стало ясно, на самом деле могут распадаться, хотя само название означает «неделимый». В ранней модели Нильса Бора атом представлялся как тесное собрание протонов и нейтронов, вокруг которых вращались гораздо более легкие, удаленные от них электроны. Протон несет фиксированный положительный электрический заряд, электрон несет то же количество отрицательного заряда, а нейтрон электрически нейтрален.

Позднее, по мере развития квантовой теории, этот образ в духе представлений о солнечной системе уступил место более хитрому устройству. Электроны не вращаются вокруг ядра в качестве четко определенных частиц, но некоторым образом размазаны вокруг ядра в виде облаков довольно замысловатых форм. Эти облака лучше всего интерпретируются как облака вероятности[88]. Если смотреть на электрон, то вероятнее всего найти его там, где плотность облаков максимальна, и наоборот, он будет реже встречаться в областях, где облако «разрежено».

Физики изобрели новые способы изучать структуру атома, «разбирая» его на части и исследуя внутреннюю структуру этих частей[89]. Основной метод, которым до сих пор продолжают пользоваться, состоит в том, чтобы ударить по атому другим атомом или частицей и посмотреть, что вылетит из области соударения. Постепенно — эта история слишком сложная, чтобы излагать ее подробно — обнаруживались все новые и новые частицы. Это было нейтрино, которое обладает способностью пройти миллионы километров через свинец, не претерпев столкновения, в силу чего его нелегко детектировать. Далее, это был позитрон, который похож на электрон, но несет противоположный электрический заряд и который был предсказан дираковской симметрией между материей и антиматерией.

Когда число «элементарных» частиц перевалило за шестьдесят, физики стали искать более глубокие классифицирующие принципы. «Кирпичики» материи оказались слишком многочисленными, чтобы быть фундаментальными. Частица каждого типа характеризуется рядом свойств: массой, зарядом, тем, что называется «спином» и представляет собой некое подобие вращения вокруг некоторой оси (за исключением того факта, что это старомодное представление и, чем бы спин ни был, он не сводится к вращению)[90]. Частицы вращаются не в пространстве (как это делают Земля или крутящийся волчок), а в некоторых более экзотических измерениях.

Как и все в квантовом мире, большая часть этих свойств выражается целыми кратными базовых, очень маленьких количеств — квантов. Все электрические заряды выражаются как целые кратные заряда протона. Все спины суть целые кратные спина электрона. Отсутствовала ясность по поводу того, квантуется ли аналогичным образом масса; массы фундаментальных частиц представляли собой мешанину, лишенную всякой структуры.

Стали проявляться и некоторые общие семейные черты. Важное различие потребовалось провести между частицами, спин которых есть нечетное кратное спина электрона, и частицами, спин которых — четное кратное. Причина состоит в свойствах симметрии; спины (живущие в своих экзотических пространствах) вели себя по-разному, если заставить частицу вращаться в обычном пространстве. Некоторым образом, экзотические спиновые и прозаические пространственные измерения оказались связаны.

Нечетные частицы получили название фермионов, а четные[91] — бозонов, по именам двух гигантов физики частиц, Энрико Ферми и Сатьендраната Бозе. По причинам, которые некогда представлялись разумными, спин электрона определен равным 1/2. Таким образом, бозоны имеют целочисленные спины (четные кратные 1/2 являются целыми), а фермионы — спины 1/2, 3/2, 5/2 и т.д., а также противоположные им −1/2, −3/2, −5/2[92].