Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Во вселенной, где царит квантовая неопределенность, говорить о какой-то отдельной частице попросту бессмысленно. Лучше представьте себе огромный рой электронов, который неутомимо летит по вселенной единой массой. В целом — или квантово-механически — трудно сказать с уверенностью, где кончается один электрон и начинается другой. Вот мы и не будем этого говорить. А будем описывать «электронность» вселенной как поле.

Вселенная, даже если она на вид пустая, полна полей. Это слово вы, конечно, и без меня знаете, однако для физика оно напоено особым смыслом. Поле — это как джедайская Сила. «Она окружает и пронизывает нас, она связывает Галактику воедино» [94] Строго говоря, галактику воедино связывает гравитация. Большая удача, что гравитация — это тоже поле. . С некоторыми полями мы уже знакомы. Великий вклад в науку Джеймса Клерка Максвелла состоял в описании электромагнитных полей. Вот как об этом писал Эйнштейн:

До Максвелла все считали, что физическая реальность — в той степени, в какой она должна отражать события в природе — состоит из материальных точек, которые если и меняются, то лишь через движение, которое подлежит полному описанию посредством дифференциальных уравнений. После Максвелла вселенную стали воспринимать как непрерывные поля, необъяснимые с точки зрения механики… Подобная перемена в восприятии реальности — самая глубокая и плодотворная из тех, что произошли в физике со времен Ньютона.

Как всем известно, Эйнштейн показал, что электромагнитное поле — это не какая-то невидимая вязкая жижа, его можно разделить на частицы. Вы их знаете, это фотоны. Подобно тому как молекулы воды и волны на воде — это две стороны одной медали, фотоны и электромагнитное поле — два разных способа представить себе одно и то же [95] Обращение к будущим физикам. Вам наверняка захочется приучить себя к мысли, что поля и квантовые волны — это одно и то же. А вот и нет. У них и правда много общего (интерференция, частота и другие свойства волны), однако квантовая волна описывает одну-единственную частицу, в то время как классическое поле описывает совокупные качества всей толпы частиц. . Какой мы его видим, зависит от контекста. При видимом свете — таком, к которому приспособлены наши глаза — мы можем пересчитать отдельные фотоны. Если длина волны больше, перед нами радио волны . Однако на фундаментальном уровне это одно и то же.

На свете есть и гравитационное поле, и поля других фундаментальных сил. О них достаточно широко известно и часто говорят. А вот беседы об «электронном поле» слышишь довольно редко. Однако же мы в нем просто тонем.

Свое поле есть у каждой частицы. На самом простом уровне поле говорит вам, сколько частиц находится в той или иной области пространства и с какой скоростью они двигаются.

А если вам хочется стать искушеннее, представьте себе, что поле — это батут, на котором прыгает компания гиперактивных детишек. С каждым прыжком по батуту расходится рябь. Не отрывайте от нее взгляда. Если бы у нас были соответствующие математические формулы, чтобы описать эту рябь, она дала бы нам всю необходимую информацию о частицах, мельтешащих во вселенной — и об их плотности, и об импульсе, и обо всем прочем.

Поля и частицы

С практической точки зрения прыжки вверх-вниз в случае, скажем, электромагнетизма похожи на колебания электрона. На этом основана работа радиопередатчика.

Однако аналогия эта несовершенна. Батут — это двумерная поверхность, а мы живем в трехмерном пространстве. Если вы в состоянии точно представить себе, как трехмерный батут колеблется в четырехмерном пространстве, значит, вы — борг.

Бросьте в пруд горстку камушков, и вы увидите, что при помощи одной лишь интерференции возникших в результате волн можно получить крайне сложные узоры. Даже воображение напрягать не нужно. Все, что вы видите, — не более чем собрание колоссального количества электромагнитных волн, наложившихся друг на друга и спроецированных вам в глаза. Звук устроен точно так же за тем исключением, что его проецируют в уши.

На первый взгляд кажется, будто понятие поля не такое уж и важное. Подумаешь — ну, были у нас десятки разных фундаментальных частиц, берем и заменяем их десятками разных фундаментальных полей. Умничка, физика!

Однако в мире полей проявляются симметрии, которые на примере частиц увидеть невозможно. Нескольких простых полей достаточно, чтобы описать практически все частицы во вселенной.