Мы предпологаем, что все во Вселенной построено из полей – силовых полей, которые притягивают и отталкивают, и полей вещества, из колебаний которых образуются частицы.

Хип-хоп-дуэт Insane Clown Posse, известный своими провокативными текстами и страшным клоунским гримом, в 2010 году выпустил скандальный сингл «Чудеса». К тому времени Вайолент Джи и Шэгги-2 Доуп (сценические псевдонимы музыкантов) уже привыкли к скандалам. В частности, однажды они ввязались в распрю с известным рэпером Эминемом, позже неудачно поработали в качестве профессиональных борцов, а на одном из концертов совершенно шокировали почтенную публику и лишь потом обнаружили, что выступали совсем не там, где думали. Insane Clown Posse поют о некрофилии и каннибализме, в одной песне позволили себе обидеть Санта-Клауса, а как-то после представления Вайолента Джи даже арестовали – он 30 раз ударил одного из зрителей микрофоном.

Но скандальные «Чудеса» – это нечто иное. На сей раз ребята своими песнями хотели не шокировать, а обратить внимание своих поклонников на красоту окружающего нас мира. Это звучало примерно так:

В Интернете этот небольшой отрывок приобрел довольно широкую известность, особенно среди блогеров, имеющих отношение к науке, – они-то были уверены, что, напротив, имеют довольно хорошее представление о том, как работают магниты.

Я хотел бы сказать несколько слов в защиту Insane Clown Posse. Да, мы уже довольно давно узнали, что такое магнетизм, и занялись его изучением, а обычно в результате научных исследований наше понимание природных явлений углубляется, и все меньше места остается для магии и чудес. Однако музыканты нащупали чувствительную точку, и мы действительно упустили нечто очень важное и не заметили, что магниты – на самом деле довольно странная штука.

В магнитах удивительно не то, что они притягивают металл – множество предметов прилипает ко многим другим предметам, например гекконы и жевательная резинка – к стенке. Удивляет в магните то, что когда вы подносите его близко к куску металла, то можете почувствовать это притяжение еще до того, как они соприкоснутся. Магниты не похожи на скотч или клей, которые, чтобы прилипнуть к чему-то, должны находиться в контакте с этим чем-то. Магниты словно чувствуют присутствие предметов, удаленных от них в пространстве, и тянут их к себе. Подумайте – все это довольно странно.

Физики называют такого рода явление «действием на расстоянии», и оно вызывает недоумение не только у Вайолента Дж. и Шэгги 2 Доупа, но и у величайших умов мира. В последнее время нас это стало удивлять меньше, поскольку мы поняли, что пространство, через которое магнит дотягивается до металлических предметов, – на самом деле совсем не «пустое». Оно заполнено магнитным полем – невидимыми силовыми линиями, выходящими из магнита, которые готовы захватить любой восприимчивый к магнитному полю объект, встречающийся на их пути. Мы можем сделать эти силовые линии видимыми, если приложим магнит снизу к бумажке, на которую насыпаны железные опилки, и тогда они, выстроившись вдоль силовых линий, образуют красивые узоры.

Магнитное поле существует в пространстве независимо от того, притягивает магнит что-нибудь или нет. Если есть магнит, то есть и магнитное поле вокруг него, хотя мы и не можем его увидеть. Поле сильнее, когда мы приближаемся к магниту, и слабее – когда удаляемся. На самом деле магнитное поле есть абсолютно в каждой точке пространства, независимо от того, есть ли поблизости магниты. Поле может быть достаточно маленьким – или даже нулевым, – но в каждой точке значение магнитного поля измеримо. (Естественно, это не поле каждого отдельного магнита, а результирующее магнитное поле: поставьте два магнита рядом друг с другом, и их поля просто сложатся.)

Не уверен, что членам дуэта Insane Clown Posse это было интересно, но должен заметить, что важность полей далеко не исчерпывается магнитами. Мир действительно состоит из полей. Иногда вещество Вселенной в силу странности квантовой механики кажется образованным из частиц, но на самом деле по своей сущности частицы – те же поля. Пустое пространство, вакуум, не так пусто, как кажется. В каждой точке существует множество полей, каждое из которых принимает то или иное значение – или, точнее, из-за принципа неопределенности квантовой механики, целый набор возможных значений, которые мы в принципе могли бы наблюдать.

Говоря о физике элементарных частиц, мы обычно не акцентируем внимание на том, что на самом деле говорим о «физике полей». Но именно ее мы и имеем в виду. Цель этой главы – помочь вам привыкнуть к тому, что именно квантовые поля в теперешних научных представлениях являются основными строительными блоками мироздания.

Нельзя считать, что сами поля «сделаны из чего-то». Поля – это то, из чего состоит мир, и мы не знаем никакого более глубокого уровня реальности. (Может быть, теория струн откроет нам что-то новое, но пока еще она находится в ранге гипотезы.) Магнетизм переносится полем так же, как гравитация и ядерные силы. Даже то, что мы называем «веществом», сформировано из таких частиц, как электроны и протоны, а они на самом деле – просто колебания полей. Частица, которую мы называем бозоном Хиггса, очень важна, но важна не столько она, сколько поле Хиггса, из колебаний которого она образуется и которое играет центральную роль в устройстве нашей Вселенной. Удивительно, не правда ли?

В первых главах мы дали краткое описание частиц Стандартной модели и отметили, что все частицы возникают в виде колебаний соответствующих полей. В нескольких предыдущих главах мы рассмотрели ускорители (в том числе БАК) и детекторы, которые помогают нам исследовать субатомный мир. В этой и последующих главах мы собираемся вернуться немного назад и более пристально присмотреться к концепции полей, а также к тому, как частицы возникают из полей, как симметрия приводит к появлению сил и как поле Хиггса может нарушить симметрию и привести к тому разнообразию частиц, которое мы видим вокруг себя. И после этого у нас появится реальная возможность понять, как экспериментаторы охотятся на бозон Хиггса и что означает утверждение, что он нашелся.

 

Гравитационное поле

Сегодня общепринято: поля окружают нас везде, но для того, чтобы ученые начали думать в категориях «теории поля», потребовалось время. Вам может показаться, что понятие гравитационного поля еще более очевидно, чем понятие магнитного поля. Но это совершенно не очевидно.

Самая знаменитая история про гравитацию – это апокриф про Исаака Ньютона и яблоко, которое якобы упало ему на голову, вдохновив на открытие теории всемирного тяготения. (Эта история стала такой знаменитой в основном из-за того, что сам Ньютон не переставал ее пересказывать – видимо, ему хотелось добавить ярких красок в свою репутацию гения, хотя это было уже совершенно излишним.) Утверждалось, что яблоко помогло Ньютону «изобрести» или «открыть» гравитацию, но, если минуточку подумать, сразу понимаешь, что эти слова вообще-то не имеют никакого смысла. Люди знали о гравитации и до Ньютона – и, как правило, все замечали, что яблоки падают вниз, а не вверх.

Но только Ньютон осознал, что между падением яблока и движением планет существует связь. Он не изобрел гравитацию, но понял, что она универсальна: гравитационное притяжение, которое заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, а Луну вокруг Земли – та же самая сила, которая притягивает яблоки к земле. Кто-то скажет, что это ньютоновское прозрение не заслуживает того, чтобы о нем складывались легенды. В конце концов, что-то удерживает планеты от того, чтобы улететь прочь в межзвездное пространств, и, с другой стороны, что-то заставляет яблоко падать на землю, так почему эти «что-то» не могут быть одним и тем же?

Если вы так думаете, то только потому, что живете в постньютоновском мире. Пока Ньютон не объяснил всего этого, люди не считали Землю ответственной за такое поведение яблока, а полагали, что оно само виновато в своем падении. Аристотель, например, считал, что различным видам материи присущи различные, но естественные состояния. Естественное состояние массивного тела – лежать на земле. Поднявшись же над землей, оно будет стремиться на нее упасть.

Представление о том, что падение объекта связано с природой объекта, а не с земным притяжением, на самом деле подсказывает нам интуиция. Я когда-то был научным консультантом высокобюджетного голливудского фильма, и режиссеры решили, что было бы здорово снять захватывающую сцену борьбы на планете, имеющей форму не сферы, а диска. Это было бы красиво, тут не поспоришь. Но операторы решили снять кульминационную сцену так, чтобы плохие парни падали с края планеты. Падать… но под действием чего? До сих пор многие люди думают, что падение – это естественное действие для объектов, а не следствие влияния на них силы притяжения каких-то крупных объектов. (Но нам удалось в фильме избежать такой ошибки.)

Итак, Ньютон предположил, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект во Вселенной. Более тяжелые объекты притягивают сильнее, чем более легкие, кроме того, чем ближе объект, тем он сильнее притягивается, чем дальше – тем слабее. Эти утверждения прекрасно соответствуют наблюдаемым данным и замечательно объединяют явления, происходящие на Земле и в небе.

Но теория тяготения Ньютона смущала многих. Как, например, Луна узнает о том, что Земля притягивает ее? В конце концов, Земля очень далеко, а мы привыкли к силам, которые ощущаются при соприкосновении с предметами, а не когда мы где-то далеко от них. Это загадочное явление – «действие на расстоянии» – беспокоило и Ньютона, и его критиков. Однако, если ваша теория великолепно объясняет множество разных явлений, вы в какой-то момент просто пожимаете плечами и говорите, что просто природа, по-видимому, устроена таким образом. Это в значительной степени похоже на сегодняшнюю ситуацию с квантовой механикой: она объясняет наблюдаемые явления, но мы считаем, что не понимаем ее достаточно глубоко.

И только в конце 1700-х годов французский физик Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновская гравитация – отнюдь не магическое воздействие, передающееся на расстоянии. Лаплас описал гравитацию как поле, заполняющее все пространство. Позже это поле назвали «потенциальное гравитационное поле». Гравитационный потенциал искажается массивными телами по той же причине, по какой на температуру воздуха в помещении влияет горячая духовка: искажение тем сильнее, чем мы ближе к ней, и уменьшается, когда мы отходим от нее. Сила земного притяжения возникает, потому что объекты подталкиваются самим полем: они чувствуют, как их тянет в направлении, в котором потенциал гравитационного поля убывает, – подобно тому, как шар на неровной поверхности начинает катиться туда, где ближе к земле.

С точки зрения математики, теория Лапласа идентична теории Ньютона, однако концептуально она намного лучше согласуется с нашим интуитивным представлением о том, что вся физика, как и политика, является локальной. Но это не значит, что Земля просто устанавливает контакт с Луной и притягивает ее. Земля создает гравитационный потенциал вокруг себя, он влияет на потенциал поблизости, и так далее вплоть до Луны (и еще дальше). Гравитация – не магическая передача силы на бесконечные расстояния вроде телепатии. Она порождается плавными изменениями невидимого поля, пронизывающего все пространство.

 

Электромагнитное поле

Но впервые теория поля продемонстрировала свою эффективность при изучении не гравитации, а электромагнетизма. Заметим, что в действительности есть электрическое поле, а есть магнитное поле, но физики используют одно слово, электромагнетизм, говоря тем самым, что на самом деле это два разных проявления одного основного поля. Но связь между ними не всегда была такой очевидной, как сейчас.

Магнетизм был известен с древних времен – магнитные компасы изобрели более двух тысяч лет назад в Китае во времена династии Хань. И какие-то проявления электричества тоже были людям известны уже давно: например, можно получить удар током, притронувшись к угрю, а в янтаре, если его потереть тряпкой, возникает электростатический заряд. Были даже некоторые намеки на то, что эти явления как-то связаны. Бенджамин Франклин, например, в перерывах между запусками летающих змеев и борьбой за независимость Соединенных Штатов Америки продемонстрировал, что с помощью электричества можно намагнитить иголку.

Но все эти идеи по-настоящему собрались воедино только в 1820 году, когда датский физик Ганс Христиан Эрстед прочитал лекцию о природе электричества и магнетизма. Эрстед придумал остроумный способ, как продемонстрировать гипотетическую связь между ними. Он собрал электрическую цепь, пропустил через нее ток, установил рядом компас. Если его предположения верны, стрелка компаса должна была отклоняться из-за проходящего по цепи тока. К сожалению, стечение обстоятельств не позволило Эрстеду отрепетировать эксперимент до начала лекции, и он решил провести его прямо в аудитории перед собравшейся публикой, убежденный, что все должно получиться. И у него все получилось! Эрстед щелкнул выключателем, электрический ток потек по проводам, и собравшиеся в аудитории увидели явное, но очень небольшое дрожание стрелки компаса. Правда, по собственному признанию Эрстеда, эффект был очень небольшим и зрители ушли разочарованными. Но с того дня электричество и магнетизм слились в единое понятие – электромагнетизм.

Благодаря гениальным последователям Эрстеда Майклу Фарадею и Джеймсу Клерку Максвеллу была разработана сложнейшая теория электромагнитного поля. Вооружившись этой теорией, мы можем ответить на многие вопросы. Например, что произойдет, если мы возьмем электрический заряд и будем качать его вверх-вниз в вертикальном направлении? (Такой же вопрос можно было бы задать и о гравитационном поле, но гравитационная сила столь слаба, что будет очень трудно экспериментально проверить правильность ответа.)

Когда вы качаете заряд вверх-вниз, вполне понятно, что произойдет в результате этих манипуляций – возникнет рябь в электромагнитном поле. И эта рябь будет распространяться от заряда во все стороны в виде волн, так же, как когда вы уроните камень в воду, по воде от него пойдут круги. Один из видов электромагнитных волн нам хорошо знаком – это свет. Когда мы щелкаем выключателем и включаем лампу, электрический ток начинает течь через нить электрической лампы и нагревает ее. Тепло встряхивает атомы нити и связанные с ними электроны, заставляя их покачиваться туда-сюда. Это покачивание создает волны в электромагнитном поле, которые попадают в наши глаза и воспринимаются как свет.

Отождествление света с волнами электромагнитного поля является уже большим шагом вперед в нашем представлении о единстве физических явлений. Мы продвинулись еще дальше, когда поняли: то, что мы называем видимым светом, – всего лишь излучение определенных длин волны, тех, которые можно увидеть человеческим глазом. Более короткие волны – это ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, более длинные волны – инфракрасный свет, микроволновое излучение и радиоволны. Работы Фарадея и Максвелла получили впечатляющее подтверждение в 1888 году, когда немецкий физик Генрих Герц впервые смог возбудить и зарегистрировать радиоволны.

Когда вы наводите пульт дистанционного управления на телевизор, это выглядит как передача воздействия на расстояние, но в действительности это не так. Вы нажимаете на кнопку, электрический ток начинает колебаться внутри электрического контура, спрятанного в пульте дистанционного управления, создавая радиоволну, которая распространяется, изменяя окружающее электромагнитное поле, к телевизору, и поглощается там похожим устройством. В современном мире электромагнитному полю вокруг нас приходится выполнять огромное количество дел – освещать наши жилища, посылать сигналы в наши сотовые телефоны и беспроводные компьютеры, греть еду в микроволновой печи. И все это делают движущиеся заряды, возбуждающие рябь в поле, распространяющемся наружу. Герц, кстати, такого совершенно не ожидал. Когда ученого спросили, как можно использовать его приемники радиоволн, он ответил: «Это абсолютно бессмысленная вещь». После настойчивых просьб предложить все-таки хоть какое-нибудь практическое применение радиоволн он ответил: «Я думаю, они никому не нужны». Об этом следует помнить, когда мы говорим о важности фундаментальных исследований.

 

Гравитационные волны

И только когда физики поняли взаимосвязь между электромагнетизмом и светом, они задались вопросом, не происходит ли то же самое с гравитационным полем. Это может показаться академическим вопросом, поскольку для создания настолько большого гравитационного поля, чтобы его можно было измерить, нам нужен объект размером с какую-нибудь планету или Луну. Мы не собираемся трясти Землю, чтобы возбудить волны, но найти такой объект во Вселенной – вообще-то не проблема. Наша галактика полна двойных звезд – систем, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга, естественно, возбуждая при этом колебания гравитационного поля. Приводит ли это к распространению гравитационных волн?

Интересно, что гравитация в том виде, как ее описал Ньютон или Лаплас, не предполагает наличия какого-либо излучения. Теория говорит, что, когда планета или звезда движется, ее гравитационное притяжение изменяется мгновенно во всей Вселенной. То есть тут не распространяющаяся волна, а мгновенное преобразование всей Вселенной.

Это лишь один из пунктов, по которым ньютоновская гравитация, как оказалась, не слишком хорошо согласовывалась с меняющимися физическими концепциями XIX века. Электромагнетизм, и особенно ключевая роль скорости света, сыграли важную роль и вдохновили Альберта Эйнштейна и других ученых на создание теории относительности, что и было сделано в 1905 году. Согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света – даже гипотетические колебания гравитационного поля. От чего-то нужно было отказаться. После десяти лет напряженной работы Эйнштейну удалось построить принципиально новую теорию гравитации, известную как общая теория относительности, которая полностью заменила теорию Ньютона.

Так же как и интерпретация Лапласа ньютоновской теории гравитации, общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию в терминах поля, которое определено в каждой точке пространства. Но поле Эйнштейна с точки зрения используемой математики гораздо сложнее, чем поле Лапласа, и может отпугнуть – вместо гравитационного потенциала, определяемого всего одним числом в каждой точке пространства, Эйнштейн использовал так называемый «метрический тензор», который можно определить в каждой точке совокупностью десяти независимых чисел. Эта математическая сложность укрепила репутацию общей теории относительности как теории, очень трудной для понимания. Но основная ее идея столь же проста, сколь и глубока: метрика описывает кривизну самого пространства-времени. Согласно Эйнштейну, гравитация является проявлением искривления и растяжения самой ткани пространства, способом измерения расстояний и отрезков времени во Вселенной. Когда мы говорим, что «гравитационное поле равно нулю», мы имеем в виду, что пространство-время гладкое, а геометрия Евклида, которую мы учили в школе, справедлива.

Одно радует: из общей теории относительности следует, что, как и в случае с электромагнитными волнами, рябь в гравитационном поле приводит к распространению гравитационных волн со скоростью света. И мы засекли их, хотя и не напрямую. В 1974 году Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили двойную систему, в которой оба объекта – нейтронные звезды, быстро вращающимися на очень близких орбитах. Общая теория относительности предсказывает, что такая система должна терять энергию, испуская гравитационные волны, и по мере сближения звезд это должно привести к постепенному уменьшению периода обращения. Халс и Тейлор смогли измерить это изменение периода, и оно оказалось в точности таким, как предсказывала теория Эйнштейна. В 1993 году за эту работу они были удостоены Нобелевской премии.

И все-таки это было косвенным измерением гравитационных волн. Мы, конечно, пытаемся увидеть их, и в настоящее время проводится ряд экспериментов по поискам гравитационных волн, приходящих от астрофизических источников. Как правило, в экспериментах стараются обнаружить изменение расстояний между зеркалами лазеров, отстоящими друг от друга на несколько километров. При прохождении гравитационной волны пространство-время должно то растягиваться, то сжиматься – и тогда и расстояние между зеркалами должно периодически изменяться. Этот крошечный эффект может быть обнаружен при измерении количества длин волн, умещающихся между двумя зеркалами, в зависимости от времени. В США эти эксперименты проводит Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватории (LIGO), включающая в себя две отдельные лаборатории – одна в штате Вашингтон, а другая в Луизиане. Они находятся в постоянном контакте с обсерваториями VIRGO в Италии и GEO 600 в Германии. Ни одна из этих лабораторий гравитационные волны пока не нашла, но ученые настроены оптимистически и надеются на недавно проделанную модернизацию оборудования. Если гравитационные волны все-таки будут обнаружены, мы получим прямое подтверждение тому, что гравитационное поле колеблется и испускает гравитационные волны.

 

Появление частиц из полей

Осознание того, что свет представляет собой электромагнитную волну, пришло в противоречие с ньютоновской теорией света, утверждавшей, что свет – это поток частиц, названных «корпускулами». Веские аргументы были у сторонников обеих теорий. С одной стороны, предметы на свету отбрасывают резкую тень – это понятно, если свет представляет собой поток частиц. К тому же из опыта со звуковыми волнами и волнами на поверхности мы знаем, что волны должны огибать препятствия, а свет этого не делает. С другой стороны, при прохождении через узкие отверстия свет может образовать интерференционную картину, как это делают все волны. Электромагнитная природа света, казалось, решила вопрос в пользу волн.

Концептуально поле (и, соответственно, волна) является противоположной частицам сущностью. Частица локализована в определенном месте в пространстве, в то время как поле существует везде, определяется в каждой точке величиной, равной некоторому конкретному числу, и, возможно, некоторыми другими характеристиками, например направлением. И только квантовая механика, которая появилась в 1900 году и определяла всю физику XX века, в конечном счете примирила две концепции. Кратко идею этого примирения можно сформулировать так: все состоит из полей, но если мы посмотрим на них повнимательнее, то увидим частицы.

Представьте, что вы ночью вышли на улицу. Очень темно, и свет исходит только от свечи, которую держит ваш друг, стоящий на некотором удалении. Если он будет удаляться от вас, то свет свечи будет тускнеть и в конце концов так ослабнет, что вы его вообще перестанете видеть. Вы решите, что скорее всего это связано с плохим зрением, а вот если бы ваши глаза были идеальными, вы увидели бы, как свет свечи постепенно тускнеет, но полностью никогда не исчезает.

На самом деле все происходит не так. Даже обладая идеальным зрением, вы не увидели бы постоянно тускнеющего света. Вначале, при удалении от свечи, ее свет действительно постепенно бы слабел, но в какой-то момент ситуация изменилась бы. Вместо того чтобы слабеть, свет свечи начал бы мерцать – включаться и выключаться, и это при том, что во включенном состоянии его яркость оставалась бы постоянной. По мере того как ваш друг уходил бы от вас все дальше, темные периоды удлинялись бы, а светлые – укорачивались, и в конце концов свеча почти всегда казалась бы темной, и только очень редко можно было бы увидеть слабые вспышки. Эти вспышки – отдельные частицы света – фотоны. Такой мысленный эксперимент описан в книге физика Дэвида Дойча «Структура реальности» (David Deutsch, The Fabric of Reality), где среди прочего отмечается, что у лягушек зрение лучше, чем у людей. Им повезло – они различают отдельные фотоны.

Идея фотонов впервые появилась в работах Макса Планка и Альберта Эйнштейна, выполненных ими на рубеже XIX–XX веков. Планк исследовал излучение, испускаемое объектами при нагревании. Проблема состояла в том, что экспериментальные результаты и теоретические, полученные в рамках волновой теории света, не совпадали. Согласно теории, интенсивность излучения с очень короткой длиной волны и, следовательно, с очень высокой энергией должна была быть намного больше, чем наблюдаемая в опыте. Планк предложил блестящее и несколько неожиданное решение: свет приходит в виде дискретных пакетов, или «квантов», а квант света с некоторой фиксированной длиной волны должен иметь фиксированную энергию. Требуется изрядное количество энергии, чтобы сформировать даже один квант коротковолнового света, поэтому теория Планка помогла объяснить, почему интенсивность коротковолнового излучения намного меньше, чем это следует из волновой теории.

Связь между энергией и длиной волны – ключевое понятие в квантовой механике и теории поля. Длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями волны. Когда она мала, гребни прижимаются ближе друг к другу. Чтобы добиться этого, нужно затратить энергию, так что понятно, почему световые пакеты с короткими длинами волн, как, например, у ультрафиолетового света или у рентгеновских лучей, обладают более высокой энергией. Если длина волны велика, как у радиоволн, отдельные кванты света имеют очень низкую энергию. После того как появилась квантовая механика, эта взаимосвязь между длиной волны и энергией была распространена и на массивные частицы. Большая масса подразумевает короткую длину волны, что означает, что частица занимает меньше места. Вот почему электроны, а не протоны или нейтроны, определяют размер атома: они самые легкие из всех частиц атома, поэтому имеют самую большую длину волны, и, следовательно, занимают больше всего места. В некотором смысле это даже объясняет, почему БАК должен быть таким большим. На ускорителе пытаются рассмотреть то, что происходит на очень малых расстояниях, а это значит, что нужно использовать очень маленькие длины волн, следовательно, нам нужны высокоэнергетичные частицы, то есть нам нужен гигантский ускоритель, чтобы заставить их летать как можно быстрее.

Планк не сумел сделать концептуальный скачок и перейти от метода квантования энергии к идее частиц света в буквальном смысле. Он считал введение квантов просто своего рода трюком, который помогает получить правильный ответ, а не фактом реальности. Этот скачок сделал Эйнштейн, который в то время ломал голову над загадочным явлением под названием «фотоэлектрический эффект». Когда вы освещаете металл ярким светом, вы можете выбить из его атомов электроны. Казалось бы, число таких освободившихся электронов зависит от интенсивности света, поскольку если луч света ярче, в металл вкачивается больше энергии. Но выяснилось, что это не совсем так: свет большой длины волны, даже очень яркий, не сумеет даже расшатать электроны, в то время как довольно слабый, зато коротковолновый свет способен вырвать некоторые электроны из атомов. Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект можно объяснить, если считать, что свет распространяется не в виде непрерывной волны, а в виде отдельных квантов. И это справедливо не только для излучения светящегося нагретого тела. «Высокая интенсивность, но длинноволновое излучение» подразумевает море квантов, каждый из которых обладает слишком малой энергией, чтобы оторвать какие-либо электроны от атомов, а «низкая интенсивность, но короткие волны» означает всего несколько квантов, но в каждом достаточно энергии, чтобы освободить электрон.

Ни Планк, ни Эйнштейн не использовали слово «фотон». Оно было придумано Гилбертом Льюисом в 1920-х годах, а благодаря Артуру Комптону стало популярным. Именно Комптон окончательно убедил людей в том, что свет – это поток частиц, показав, что кванты света обладают и моментом, и энергией.

Статья Эйнштейна по фотоэффекту стала той самой работой, за которую он получил Нобелевскую премию. Она была опубликована в 1905 году, и в том же номере журнала появилась еще одна статья Эйнштейна, в которой он сформулировал специальную теорию относительности. Вот что такое Эйнштейн образца 1905 года: он публикует революционную статью, в которой закладываются основы квантовой механики и за которую ему позже присуждается Нобелевская премия, но она оказывается всего лишь второй по важности из двух его статей, опубликованных в том журнале!

 

Квантовомеханические следствия

Квантовая механика стала постепенно внедряться в физику в первые десятилетия XX века. Начиная с Планка и Эйнштейна, ученые пытались понять смысл поведения фотонов и атомов, и в тот момент времени, когда они это поняли, надежная ньютоновская картина мира была опрокинута с ног на голову. В последние несколько веков в физике произошло много революций, но на фоне всех остальных две выделяются своей грандиозностью. Первая случилась, когда гениальный Ньютон в 1600-х годах сформулировал свое видение «классической» механики, а вторая – когда группа блестящих ученых сформулировала квантовую механику, заменившую теорию Ньютона.

Основное различие между квантовым и классическим мирами состоит в отношениях между тем, что действительно существует и тем, что мы можем наблюдать. Конечно, любое наше измерение содержит ошибки наших измерительных приборов, но в классической механике мы по крайней мере можем считать, что, изготавливая все более совершенные приборы, мы приближаем измеряемые характеристики к реальным. Квантовая же механика в принципе лишает нас такой надежды. В квантовом мире все, что мы можем увидеть, – лишь малая часть того, что действительно существует.

Вот грубая аналогия, иллюстрирующая суть этого утверждения. Представьте, что у вас есть очень фотогеничная подруга, но, рассматривая ее фотографии, вы замечаете что-то странное: на всех фотографиях она изображена сбоку – то слева, то справа, но никогда – спереди или сзади. Когда вы смотрите на нее в профиль, а затем фотографируете, снимок всегда правильно фиксирует позицию. Но когда вы смотрите на нее прямо спереди, а затем фотографируете, на половине снимков возникает ее левый профиль, а на второй половине – правый. (Аналогия предполагает, что понятие «сделать снимок» эквивалентно понятию «сделать квантовое наблюдение».) Вы можете сделать снимок под любым углом, а затем очень быстро переместиться на 90° и сделать второй снимок, но на фотографиях вы всегда увидите подругу только в профиль. В этом суть квантовой механики – ваша подруга по отношению к вам может находиться в любой позиции, но, когда вы ее фотографируете, на снимке она получается только в одной из двух возможных «профильных» позиций. Это хорошая аналогия для «спина» электрона в квантовой механике. При измерениях направления вращения электрона относительно любой оси вы всегда получите только вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Тот же принцип применим и к другим наблюдаемым величинам. В классической механике есть характеристика частицы, называемая «положением», которое мы можем измерить. В квантовой механике такого понятия нет. Вместо этого вводится так называемая «волновая функция» частицы, которая представляет собой набор чисел, показывающих вероятность нахождения частицы в каждом конкретном месте. Тут уже нельзя указать место, «где находится частица на самом деле».

Когда квантовую механику применили к полям, возникла специальная наука – «квантовая теория поля», которая стала основой нашего современного понимания реальности на самом фундаментальном уровне. Согласно квантовой теории поля, наблюдая за полем достаточно пристально, мы увидим, что оно «распадается» на индивидуальные частицы, хотя и само поле реально. (На самом деле поле имеет волновую функцию, описывающую вероятность нахождения его с каким-либо определенным значением в каждой точке пространства.) В реальной жизни такое тоже происходит: если смотреть на экран телевизора или монитор компьютера издалека, кажется, что на них отображается гладкая картинка, но при ближайшем рассмотрении видно, что на самом деле экраны – это матрицы, состоящие из крошечных пикселей.

Квантовая теория поля объясняет и феномен возникновения виртуальных частиц, в том числе партонов (кварков и глюонов) внутри протонов, которые играют такую важную роль в столкновениях на БАКе. Так же как мы никогда не сможем достаточно точно определить положение индивидуальной частицы, мы никогда не сможем совершенно точно определить конфигурацию поля. Если мы посмотрим на него достаточно пристально, то увидим, что в зависимости от локальных условий частицы появляются и исчезают в пустом пространстве. Виртуальные частицы – прямое следствие неопределенности, присущей квантовым измерениям.

Поколениям студентов-физиков задавался каверзный вопрос: «Из чего в действительности состоит материя – из частиц или волн»? Зачастую студенты, даже пройдя многолетний курс обучения, так и не находят ответ. На самом деле ответ таков: материя состоит из волн (квантовых полей), но когда мы смотрим на них достаточно внимательно, то видим частицы. Если бы наше зрение было столь же острым, как у лягушек, этот факт для нас, возможно, был бы более очевидным.

 

Фермионные поля

Итак, свет – это волны, рябь, распространяющаяся в электромагнитном поле, пронизывающем пространство. Если мы привлечем к этому описанию еще и квантовую механику, то придем к квантовой теории поля, которая утверждает, что при внимательном рассмотрении электромагнитного поля мы увидим, что оно состоит из отдельных фотонов. Та же логика применима и для гравитации: поле тяжести – тоже поле, в нем есть колебания – гравитационные волны, которые перемещаются в пространстве со скоростью света, а если посмотреть на такую волну достаточно пристально, видно, что она представляет собой поток безмассовых частиц, «гравитонов». Гравитация слишком слаба, чтобы мы смогли обнаружить отдельные гравитоны, но основные принципы квантовой механики говорят, что гравитоны должны существовать. Подобным же образом сильное ядерное взаимодействие осуществляется через поле, которое мы наблюдаем в виде частиц, называемых «глюонами», а слабое ядерное взаимодействие – через поле, носители которого – W– и Z-бозоны.

Все это, конечно, хорошо: как только мы выяснили, что силы возникают из полей, распространяющихся в пространстве, а квантовая механика объяснила, что поля выглядят как частицы, у нас появилось довольно хорошее представление о том, как работают силы природы. Ну а как же быть с веществом, на которое эти силы действуют? Одно дело думать, что гравитация или магнетизм возникают из полей, и совсем другое – что сами атомы порождаются полями. Если что-то и является настоящей частицей, а не полем, так это один из тех крошечных электронов, вращающихся по орбитам в атомах. Не так ли?

Совсем не так. Подобно частицам, переносчикам взаимодействий, частицы вещества тоже возникают в результате применения правил квантовой механики к полю, заполняющему пространство. Частицы-переносчики взаимодействий являются бозонами, а частицы вещества – фермионами. Они соответствуют различным видам полей, но – тем не менее – полей!

Бозоны, как уже говорилось, могут жить на головах друг у друга, в то время как фермионам требуется много места. Давайте подумаем об этом с точки зрения полей, колебаниями которых являются эти частицы. Разница между ними сводится к простому различию: бозонные поля могут принимать вообще любое значение, в то время как каждая возможная частота колебаний поля фермионов может быть раз и навсегда либо «включена», либо «выключена». Когда бозонное поле, например электромагнитное, очень велико, это соответствует большому числу частиц; когда это значение невелико, но отлично от нуля, там всего несколько частиц. Таких возможностей нет у фермионных полей. Частица там либо существует (в некотором определенном состоянии), либо нет. Это важнейшее свойство, известное как принцип Паули: не может быть двух частиц-фермионов в одном и том же состоянии. Чтобы дать определение «состояния» частицы, мы должны указать, где она находится, какую энергию имеет, и, возможно, определить некоторые другие характеристики, например сказать, как она вращается. Принцип Паули говорит, что два одинаковых фермиона не могут заниматься совершенно одним и тем же в одном и том же месте.

 

Передача колебаний

Идея о том, что частицы вещества являются дискретными колебаниями фермионных полей, помогает объяснить особенности реального мира, которые иначе могли бы остаться непонятными. Например, то, как частицы могут рождаться и исчезать. В первые годы квантовой механики ученые изо всех сил пытались разобраться с феноменом радиоактивности. Они еще могли понять, как фотоны получаются из других частиц, ведь фотоны – просто колебания электромагнитного поля. Но как насчет радиоактивных процессов, таких как распад нейтрона? Внутри ядра, в тесном соседстве с несколькими протонами нейтрон может жить вечно. Когда же он изолирован и предоставлен сам себе, он распадается в течение нескольких минут, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино. Вопрос в том, откуда берется электрон и антинейтрино. Ученые сначала предположили, что на самом деле они все это время прятались внутри нейтрона, но это оказалось не совсем верным.

Красивый ответ был дан в 1934 году Энрико Ферми, который впервые по-настоящему применил теорию поля к фермионам. (Кстати, эти частицы были названы в честь Ферми.) Итак, Ферми предположил, что можно считать каждую из этих частиц колебанием соответствующего квантового поля и каждое поле чуточку влияет на другие, так же как игра на пианино в одной комнате заставляет струны пианино, стоящего в соседней комнате, тихонько колебаться в ответ. Нельзя сказать, что новые частицы волшебным образом создаются из ничего – просто колебания нейтронного поля постепенно превращаются в колебания протонного, электронного и антинейтринного полей. А поскольку это квантовая механика, мы не можем на самом деле представить себе это превращение как постепенное – мы должны наблюдать нейтрон либо как обычный нейтрон, либо как уже распавшийся, причем вероятности этих исходов математически рассчитываются.

Квантовая теория поля также помогает понять, как одна частица способна превратиться в другие, с которыми она даже непосредственно не взаимодействует. Классический пример, который скоро станет для нас очень важным, – бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Этот процесс кажется невозможным, потому что мы знаем, что фотоны не взаимодействуют непосредственно с полем Хиггса. Фотоны взаимодействуют с заряженными частицами, а поле Хиггса взаимодействует с массивными частицами. А мы знаем, что бозон Хиггса не заряжен, а фотоны не обладают массой.

Разгадка лежит в концепции виртуальных частиц, которые в действительности следует рассматривать как виртуальные поля. Бозон Хиггса появляется на свет как волна колебаний поля Хиггса. Это колебание способно возбудить колебания массивных частиц, с которыми поле Хиггса взаимодействует. Но эти колебания могут не дотянуть до уровня, достаточного для появления новых частиц, а вместо этого создадут колебания в еще одном поле, в данном случае – в электромагнитном. Вот так бозон Хиггса и превратится в фотоны: сначала он превращается в виртуальные заряженные массивные частицы, а те затем быстро превращаются в фотоны. Это как если бы у вас было два совершенно расстроенных друг относительно друга пианино, которые обычно не могут подстроиться друг под друга, но есть третий инструмент в комнате, например скрипка, которая достаточно легко настраивается в резонанс с ними обоими.

 

Законы сохранения

Из-за того что все частицы возникают из полей, даже частицы вещества могут появляться и исчезать. Но это не значит, что в природе воцарилась анархия. Оцените электрический заряд до и после нейтронных распадов. До распада это ноль, поскольку нейтрон – частица, не имеющая заряда. После распада он также равен нулю – протон имеет положительный заряд, а электрон имеет точно такой же отрицательный заряд, антинейтрино же не имеет заряда вообще. Оказывается, что и число кварков одно и то же до и после распада, так как один нейтрон производит один протон. Наконец, и число лептонов равно одному до и после распада, если считать лептон антиматерии как один лептон со знаком минус (и антикварк – одним кварком со знаком минус, если появляются какие-нибудь антикварки). Нейтрон состоит из трех кварков и не содержит лептонов, а при распаде в продуктах его распада также содержится три кварка (в протоне) и нет лептонов (один в электроне и минус один в антинейтрино). Вот поэтому при распаде нейтрона и образуется антинейтрино, а не нейтрино.

Эти ненарушаемые правила являются законами сохранения, которые определяют, какие взаимодействия частиц разрешены природой, а какие – нет. Наряду с известным законом сохранения энергии есть также закон сохранения электрического заряда, числа кварков и числа лептонов. Некоторые законы сохранения более строгие, чем другие. Например, физики подозревают, что иногда число кварков и лептонов во взаимодействиях может не сохраняться (очень редко или в экстремальных условиях), но большинство уверено в том, что и энергия, и электрический заряд сохраняются абсолютно всегда.

Пользуясь этими правилами, мы можем понять, какие частицы распадутся, а какие из них живут вечно. Общее правило гласит: тяжелые частицы обычно распадаются на более легкие, если при этом не нарушаются никакие законы сохранения. Электрический заряд сохраняется, и электроны являются самыми легкими заряженными частицами, поэтому они совершенно стабильны. Число кварков сохраняется, и протон является самой легкой частицей с ненулевым числом кварков, так что он также стабилен (насколько мы знаем). Нейтроны не являются стабильными, но в содружестве с протонами могут образовывать стабильные ядра.

Бозон Хиггса – очень тяжелая частица с нулевым зарядом, которая не является ни кварком, ни лептоном, и она распадается, причем так быстро, что мы никогда не сможем наблюдать ее непосредственно в детекторе частиц. Это одна из причин того, почему ее было так трудно найти и почему успех ученых так нас всех обрадовал.