65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Конечно, несмотря на все свои достоинства, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией всего. Как минимум потому, что она не включает в себя гравитационное взаимодействие. Многие физики уверены, что Стандартная модель – это лишь очередной шаг на пути к построению еще более фундаментальной теории. Поэтому на всех современных ускорителях физики-экспериментаторы активно ищут любые отклонения от предсказаний теории (новые частицы или новые эффекты, не укладывающиеся в теорию), чтобы нащупать направления для дальнейшего развития наших представлений о природе Вселенной. Кто знает, возможно, именно сейчас на каком-то из ускорителей рождается доселе неизвестная частица, которая перевернет наши представления об устройстве материи?
Вопрос 58. Что такое квантовые поля?
Мы уже много говорили о том, что современные представления о физике элементарных частиц формулируются на языке квантовой теории поля, но так ничего и не сказали про то, что же такое квантовое поле. Давайте наконец попробуем в этом разобраться.
Впервые термин «поле» предложил в 1849 году Майкл Фарадей. Он использовал его для описания электрических и магнитных явлений. Мы обсуждали это в главе «Что такое электрическое поле?» (стр. 61). Впоследствии идею поля распространили и на гравитационные взаимодействия. Но с момента создания квантовой механики и теории относительности стало понятно, что поля тоже нужно описывать на основе новых принципов. Так появилась первая квантовая теория поля, предложенная Дираком для описания электрона. Об этом мы говорили в главе «Что такое антиматерия?» (стр. 273).
После успеха теории Дирака физики осознали, что и все остальные частицы также можно описывать при помощи квантовых полей. На сегодняшний день квантовая теория поля является наиболее фундаментальной. Причем не только (и даже не столько) потому, что описывает самые элементарные частицы материи, но и потому, что обычная квантовая механика является ее частным случаем или, как говорят физики, пределом при скоростях, намного меньших скорости света; а классическая теория поля выводится из квантовой, если взять ее предел, когда постоянная Планка стремится к нулю.
В основе квантовой теории поля лежит идея о том, что наиболее фундаментальным объектом являются не элементарные частицы, а квантовые поля. При этом все частицы, которые мы наблюдаем, являются квантами (или возбужденными состояниями) этих квантовых полей[131]. Можно представить это себе следующим образом: пусть поверхность воды бассейна – это наше квантовое поле. Если в бассейне никто не плавает и поверхность воды идеально гладкая, на ней нет ни одной даже самой маленькой волны, то это будет означать, что квантовое поле находится в основном (невозбужденном) состоянии. А это значит, что нет ни одной частицы. Такое состояние в квантовой теории поля называется вакуумом. Но если мы ударим по поверхности воды или бросим туда камень, то по бассейну начнет распространяться волна. Это значит, что появилась частица, квант поля, обладающая определенной энергией, импульсом и другими материальными характеристиками. Такой подход позволяет описать два принципиально разных объекта (поля, распределенные в пространстве, и точечные материальные частицы) на основе единого квантового поля, которое лежит в основе всех явлений.
При этом взаимодействие между отдельными частицами происходит не за счет взаимодействия с полем, а посредством обмена специальными частицами – переносчиками взаимодействия. Например, как с точки зрения квантовой теории поля происходит столкновение (или, как говорят физики, – рассеяние) двух электронов, почему они отталкиваются друг от друга? Изначально оба электрона (или два кванта электронного поля) движутся независимо друг от друга, как свободные частицы. Потом в некоторый момент один из электронов испускает фотон (квант электромагнитного поля). Второй электрон поглощает этот фотон и улетает в противоположном направлении. Так что электронам не нужно сталкиваться, чтобы провзаимодействовать друг с другом (как это происходит в классической механике), и даже не требуется взаимодействие с электрическим полем (как это описывается в классической электродинамике).
Отметим, что все известные на сегодняшний день взаимодействия между элементарными частицами описываются на основе калибровочного принципа, согласно которому любая уважающая себя теория должна быть симметрична (или инвариантна) относительно определенных преобразований, называемых калибровочными преобразованиями. Это некий аналог вращения в трехмерном пространстве, только устроенный немного иначе. Оказывается, что как только условие калибровочной инвариантности удовлетворяется, в теории автоматически возникают частицы – переносчики взаимодействий. То есть симметрии как бы порождают электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, и соответствующие им частицы: фотоны, глюоны и калибровочные Z– и W-бозоны.
Единственным исключением из этого правила является гравитационное взаимодействие. Хотя общая теория относительности и является калибровочной теорией гравитации, она формулируется не в терминах квантовой теории поля. Как физики ни пытались, так никому и не удалось построить квантовую теорию гравитации. Хотя над этой задачей бились (и продолжают биться до сих пор) самые выдающиеся физики современности.
Вопрос 59. Почему несовместимы квантовая механика и теория относительности?
После того, как квантовая механика и общая теория относительность окончательно оформились в своем современном виде и прошли множество экспериментальных проверок, ни у кого из ученых не осталось сомнений в их правильности и способности адекватно описывать наблюдаемые явления природы. При этом каждая из этих теорий работает только на своем масштабе: квантовая механика отлично описывает все процессы, происходящие в микромире – мире элементарных частиц, имеющих чрезвычайно малые массы и движущихся с большими скоростями; а общая теория относительности работает с объектами огромных размеров и масс, взаимодействующих между собой на астрономических масштабах. Какие бы эксперименты или наблюдения ни проводили ученые, их результаты с большой степенью точности согласуются с выводами этих теорий. Квантовая механика и теория относительности позволили человечеству проникнуть в глубины атомного ядра, объяснили процессы возникновения и эволюции нашей Вселенной, научили использовать эти знания, чтобы создавать космический аппараты, ядерные реакторы и даже множество полезных бытовых приборов, которые мы используем каждый день. Без понимания принципов квантовой механики и теории относительности было бы невозможно создание телевизоров, компьютеров, мобильных телефонов, GPS-навигаторов и многого другого.
Но, несмотря на все успехи каждой из теорий в отдельности, есть одно неприятное обстоятельство: как только физики пытаются применить для описания каких-либо объектов одновременно и квантовую механику, и теорию относительности, они
