Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Иметь правильного научного руководителя – очень важно. Не только потому, что со своим наставником желательно иметь хорошие отношения; но еще и потому, что ваш научный путь может оказаться тернистым, если ваши интересы не будут совпадать. Прежде всего вам следует определиться, кем вы хотите быть – теоретиком или экспериментатором. Выбор большинства физиков лежит в области эксперимента. Это очень важно, потому что намного больше ученых требуется для того, чтобы создавать аппаратуру для проверки теории, чем для создания новой теории, и спрос на экспериментальных физиков гораздо больше. Обычно уже на старших курсах вы определяете, к чему лежит ваша душа. В любом случае, это только начало.

Физика – обширная наука. Она включает в себя множество специальностей и узких специализаций. Некоторые физики занимаются тем, что пытаются раскрыть фундаментальные законы природы. Другие пытаются применить эти законы к конкретным явлениям или системам.

В оптике, например, основные законы электромагнетизма применяются к изучению поведения света и его взаимодействия с веществом. Ядерная физика исследует взаимодействия протонов и нейтронов внутри атома. В квантовой информатике основные законы квантовой механики используются с целью создания сверхмощных компьютеров.

Исследование фундаментальных законов, напротив, зиждется всего лишь на двух главных столпах. Один из этих столпов – общая теория относительности, теория гравитации, которая имеет дело только с силами гравитации и пытается понять законы движения вещества в присутствии гравитационных полей. Но в дополнение к гравитации в природе существуют еще три силы, отвечающие за электромагнитное взаимодействие, а также за сильное и слабое ядерные взаимодействия. Эти взаимодействия не рассматриваются общей теорией относительности. Они, а также вызываемые ими эффекты описываются теорией под названием «стандартная модель». Это второй столп, поддерживающий фундаментальные законы.

Стандартная модель – это фактически квантовая теория, основанная на квантовой гипотезе, предложенной Максом Планком в 1900 году. Гипотеза Макса Планка утверждает, что ряд физических величин – например, энергия – могут принимать только дискретные значения. Если в теории Ньютона энергия – непрерывная субстанция, как вода, то в теории Планка она излучается и поглощается отдельными порциями, напоминающими мельчайшие крупинки пудры. В квантовых теориях все свойства частиц, полей и вселенных становятся расплывчатыми и вероятностными. Теории, которые не учитывают квантованность энергии, называются классическими теориями, если даже, подобно общей теории относительности, они далеко отстоят от первоначальной классической теории (теории Ньютона).

Но стандартная модель – это нечто большее, чем квантовая теория. Это квантовая теория специального типа, квантовая теория поля. Она описывает действующие силы с помощью «полей», типа тех силовых полей, которые действуют в научно-фантастических фильмах и которые пронизывают все пространство и время.

Поскольку общая теория относительности – это классическая теория, она несовместима с квантовой теорией, такой как стандартная модель. Тем, кто не следит за развитием физики, может показаться парадоксальным, что у нас есть классическая теория гравитации и квантовая теория для описания других взаимодействий; но теории эти обычно используются в различных ситуациях, так что данная «шизофрения» находится под контролем. Конечно, такое положение вещей далеко от идеального, поэтому многие физики сегодня пытаются придумать квантовую версию общей теории относительности – теорию квантовой гравитации. Конечной целью является создание единой квантовой теории, объединяющей и квантовую гравитацию, и стандартную модель. Эта еще не созданная теория должна будет описывать все четыре взаимодействия, существующие в природе. Вот почему Эйнштейн называл ее единой теорией поля, а современные физики называют ее теорией всего.

Когда Стивен начинал свою учебу в магистратуре, лишь немногие физики работали над квантовой теорией гравитации, или теорией всего. Как я уже говорил, одна из причин заключалась в том, что между общей теорией относительности и квантовой теорией был заключен пакт о мирном сосуществовании. Они описывают различные типы взаимодействий и рассматривают природу на разных пространственных масштабах. Подобно тому, как млекопитающих и бактерии изучают разные отрасли биологии, в физике общая теория относительности стоит особняком от квантовых теорий.