Леонард Млодинов - Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни

Но был один профессор, Джон Шварц, чьи исследования привлекали довольно экзотическую математику и шли совершенно вне основного русла.

В природе известны четыре взаимодействия – электромагнитное, гравитационное, сильное и субъядерное, или слабое. У физиков есть теории, описывающие эти взаимодействия: квантовая электрослабого взаимодействия, обобщение квантовой электродинамики, описывающее и электромагнетизм, и слабые взаимодействия; общая теория относительности, которая не квантовая, описывающая гравитацию; и квантовая хромодинамика, описывающая сильные взаимодействия. Верование, что все природные явления могут быть объяснены фундаментальными физическими законами, называется редукционизмом. Вера в редукционизм популярна в физике и пересекает «генеральную линию партии» и у греков фасона Марри, и у вавилонян типа Фейнмана. Это означает, что большинство физиков верит: все во Вселенной – от рождения ребенка до рождения галактики – происходит в результате одного или нескольких фундаментальных взаимодействий. Исходя из того, что большинство физиков придерживается этого взгляда, развитие теорий четырех взаимодействий – едва ли не самая важная задача, за какую может взяться физик-теоретик. Шварц работал над единой теорией, которая, окажись она верной, включит в себя (и видоизменит) все эти теории. Его новая теория одним махом перепишет их все, заменит на одну всеобъемлющую.

Учитывая, насколько разные эти четыре взаимодействия, единая теория, описывающая их все, может показаться большой натяжкой. К примеру, электромагнитная сила может притягивать или отталкивать, а гравитационная – только притягивать. Сильное взаимодействие на малых расстояниях ослабевает, тогда как гравитационное и электромагнитное усиливаются. А еще у этих взаимодействий невообразимая разница в величинах: сильное в сотни раз мощнее электромагнитного, в тысячи – слабого, в миллиарды миллиардов миллиардов – гравитационного. Эти четыре силы играют разные роли в нашей жизни и в бытовании Вселенной. Гравитация, конечно, удерживает нас на Земле и отвечает за приливы и отливы. Но самое значимое влияние заметно в масштабах космоса. Из-за гравитации возникают и вращаются вокруг своих звезд планеты, пылают ядерные горнила внутри этих звезд, дающие свет и тепло, от которых рождается жизнь. А задолго до существования планет именно гравитационное сжатие заставило звезды уплотниться. Электромагнитная сила важна для нас в основном на атомном уровне. Электромагнитные взаимодействия между атомами и молекулами, к примеру, делают предметы вокруг видимыми, позволяют кислороду связываться с красными кровяными тельцами и не дают руке провалиться сквозь стену, когда мы на эту стену опираемся. Именно эта сила придает материалам их основные свойства. И укрощению этой силы, в основном в XX веке, мы обязаны большинством удобств современного мира: от электрического света до телефонов, радио, телевидения и компьютеров. Два других взаимодействия, сильное и слабое, управляют пространством, существующим в масштабах много меньших, чем даже атомный мир электромагнетизма: внутри ядер. Слабые взаимодействия – это радиоактивный распад ядра, называемый бета-распадом. Сильные взаимодействия – это атомная энергия. Именно эта сила, выпущенная из ядер, по массе равных трети унции урана, уничтожила город Хиросиму.

Как можно описать эти четыре силы одной теорией? У истории есть на эту тему урок: в некотором смысле сил – пять, но мы говорим о четырех, потому что первое объединение сил случилось очень давно. Речь о теориях электричества и магнетизма, своего рода приквеле современного приключения. Сказка такова: давным-давно (в VI веке до н. э.), в тридевятом царстве (Древней Греции), мудрый философ по имени Фалес изучал простейшие электромагнитные явления: магнетизм и статическое электричество. С его дней и до XIX века люди узнавали об электричестве и магнетизме все больше, но у них не возникало подозрения, что это нечто иное, нежели два отдельных класса явлений. Тяготение, электричество и магнетизм являли собой три известных силы природы. Но вот в 1820 году несколько ученых в разных частях Европы обнаружили, что провода с электрическим током имеют таинственные магнитные свойства. А это уже серьезный намек на связь между электричеством и магнетизмом, но никто не понимал толком, какова она, эта связь. В следующие несколько десятилетий все, что этим смертным удалось в описании наблюдаемых эффектов, оказалось мешаниной эмпирических законов. Однако в 1865 году шотландский физик ростом всего-то пять футов и четыре дюйма по имени Джеймс Клерк Максвелл, применив эту самую мешанину, пришел к чудодейственному набору уравнений. Всего несколько строк – и мир узрел, как из электрических разрядов и токов рождаются электрические и магнитные силы и, главное, как эти силы порождают друг друга. Максвелл, таким образом, вывел объединенную теорию двух из трех древних сил – электричества и магнетизма, или, как мы теперь это называем, электромагнетизма.

История к тому же показывает, что Максвеллово объединение – отнюдь не просто теоретическая красивость: изучение следствий его теории открыло революционные новые явления. К примеру, его уравнения вели к тому, что разряды, движущиеся с ускорением, могут производить волны электромагнитных полей. Эти волны всегда двигались с одной и той же скоростью, равной, по его расчетам, скорости света. Такой вывод подвигнул Эйнштейна к созданию специальной теории относительности. Стоило Максвеллу открыть, что свет есть электромагнитное явление, как стало очевидно: могут существовать и другие электромагнитные волны. А это, в свою очередь, проложило путь немецкому экспериментатору Генриху Рудольфу Герцу – он впервые сгенерировал радиоволны, что привело в итоге к разработке технологий радио, телевидения, радаров, спутникового сообщения, рентгена и микроволновок. В «Лекциях по физике» Фейнман писал: «…вряд ли можно сомневаться, что величайшим событием XIX века будут считать открытие Максвеллом законом электродинамики».

Физики называют теорию, объясняющую все силы природы разом, единой теорией поля. Оно стоит того – на минутку задуматься, что это означает. Чтобы теория стала объединенной, ей необходимо выйти за пределы характеристик отдельных сил и описать взаимодействия сил между собой, как удалось Максвеллу в отношении электрических и магнитных сил и их взаимного порождения.

Большинство физиков, ищущих единую теорию поля, требуют еще большего: они желают показать, как все силы природы рождаются из одной фундментальнейшей, хотят найти основополагающий принцип. И хотя экспериментальных подтверждений существования такой силы в природе (или ее отсутствия) маловато, они все равно стремятся к этой теории – из эстетических соображений или из веры, что ко всем природным законам должен существовать один ключ. Подобная единая теория стала бы окончательной победой физики в греческом стиле. Эйнштейн посвятил поиску такой теории большую часть жизни – годы после теории относительности, – постепенно отходя от основного русла физики, сосредоточенной в основном на более практических вопросах.