Карло Ровелли - Сім основних уроків з фізики

У всесвіті, описаному в минулому уроці, світло і тіла рухаються. Світло складається з фотонів, частинок світла, які інтуїтивно прозрівав Ейнштейн. Речі, що ми бачимо, складаються з атомів, кожен атом – із ядра, оточеного електронами, кожне ядро – зі щільно упакованих протонів і нейтронів. І протони, і нейтрони складаються з навіть іще менших частинок, які американський фізик Мюррей Геллман назвав кварками. Його надихнуло абсурдне слово в абсурдній фразі з твору Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом» – «Три кварки для Мастера Марка!» Усе, чого ми торкаємось, складається з електронів і цих самих кварків.

Сила, що склеює кварки всередині протонів і нейтронів, генерується частинками, що їх фізики дещо жартома назвали «глюони» [1] Від англ. glue , «клей». (Тут і далі прим. пер.) . .

Електрони, кварки, фотони і глюони – компоненти всього, що «гойдається» у просторі навколо нас. Це і є елементарні частинки, що їх вивчає фізика елементарних частинок. До них ми можемо додати нейтрино, що мчать крізь всесвіт і мало взаємодіють з нами, а також бозони Гіггса, відкриті нещодавно в ЕОЯДі [2] Європейська організація ядерних досліджень. , на великому електронно-позитронному коллайдері в Женеві. Але їх зовсім не так багато, фактично менше ніж десять типів. Жменька елементарних інгредієнтів, що діють як деталі гігантського набору «Лего», з яких, власне, і сконструйована матеріальна реальність, що нас оточує.

Природа цих частинок та способи їхнього руху описуються квантовою механікою. Ці частинки не можна уявляти як камінчики або піщинки, вони – кванти відповідного поля, як фотони – кванти електромагнітного поля. Вони – елементарні збудники в рухливому субстраті, подібному до поля Фарадея і Максвелла, крихітні рухливі хвильки. Вони зникають і знову з’являються за дивовижними законами квантової механіки, де все, що існує, не є стабільним, а є нічим іншим, як стрибками від однієї взаємодії до іншої. І навіть якщо ми обстежимо маленький порожній клаптик всесвіту, де немає атомів, ми все ж відшукаємо там дрібнесенькі брижі від цих частинок.

Не існує справжньої порожнечі, абсолютно порожньої, навіть на поверхні найспокійнішого моря є легенькі, слабкі брижі і тремтіння. Так і поля, що формують світ, здатні до вкрай малих флуктуацій; і можна собі уявити, що частинки, які їх утворюють, мають коротке та ефемерне існування, постійно створюються та руйнуються у постійному русі.

Це світ, описаний квантовою механікою і теорією елементарних частинок. Ми опинилися далеко від механічного світу Ньютона і Лапласа, де дрібнісінькі холодні камінці рухаються вічно, по безкінечних усталених траекторіях у геометрично правильному космосі. Квантова механіка та експерименти з частинками навчили нас, що світ – це постійне невтомне роїння, постійне виникнення і зникнення ефемерних сутностей, сукупність вібрацій, як у психоделічному світі хіппі 60-х років.

Деталі теорії частинок вибудовувались поступово в 1950-х, 1960-х та в 1970-х роках великими фізиками Річардом Фейнманом і Маррі Гелл-Маном. Ця робота привела до дуже складної теорії, яка ґрунтується на квантовій механіці; теорії, що отримала не дуже романтичну назву «стандартна модель елементарних частинок». «Стандартна модель» була завершена в 1970-х роках після тривалої серії експериментів, що підтвердили всі припущення.

Заключне підтвердження відбулося у 2013 році з відкриттям бозона Гіггса.

Але попри серію успішних експериментів стандартна модель ніколи не сприймалась фізиками серйозно. Це теорія, на перший погляд часткова і зібрана з розрізнених частин. Вона складається з різних частин та рівнянь, зібраних без чіткого упорядкування. Певна кількість полів (але чому саме ці поля?) взаємодіють між собою з певними силами (але чому саме ці сили?), кожна визначається певними константами (але чому саме ці конкретні значення?), продемонстровані певні симетрії (але знову ж таки – чому саме ці?). Ми віддалилися від простоти рівнянь загальної відносності і квантової механіки.

Способи, за допомогою яких рівняння стандартної моделі роблять припущення про світ, теж чомусь абсурдно ускладнені. Якщо застосовувати ці рівняння безпосередньо, отримаємо нісенітницю в передбаченнях – кожна обчислювана величина перетворюється на нескінченність. Щоб отримати осмислені результати, щоб збалансувати абсурдні результати і зробити їх прийнятними, надати їм здорового глузду, треба уявити параметри, що входять до них, теж нескінченно великими.