Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Рішення? Не зважати на них.

Хоча не те щоб не зважати, а радше систематично ховати нескінченні елементи обчислень під ковдру, залишаючи тільки скінченні. Тут прямо-таки напрошується питання: як дізнатися, які саме скінченні частини лишити й чому вся ця процедура взагалі виправдана?

На формулювання відповіді знадобилося багацько років, і Фейнман був одним із членів групи, яка з цим упоралася. Проте впродовж багатьох наступних років, аж до самого здобуття в 1965-му Нобелівської премії він розглядав усю цю роботу як якийсь фокус та вважав, що рано чи пізно буде знайдено більш фундаментальне розв’язання.

Утім, є вагома причина ігнорувати нескінченності, спричинені віртуальними частинками з довільно високими енергіями. Через принцип невизначеності Гайзенберга ці енергетичні частинки до свого зникнення можуть долати лише короткі відстані. Тож як ми можемо бути впевнені, що наші фізичні теорії, розроблені для пояснення явищ на масштабах, які ми наразі здатні виміряти, працюють аналогічним чином і на цих дуже малих масштабах? Що, як на дуже малих масштабах значущими стають нова фізика, нові сили та нові елементарні частинки?

Якби для пояснення явищ на значно більших масштабах, підвладних нашим чуттям, нам було б необхідно знати всі закони фізики аж до нескінченно малих масштабів, фізика була б безнадійною. Для створення хоча б якоїсь теорії чогось нам була б необхідна теорія всього.

Натомість обґрунтовані фізичні теорії мають бути нечутливими до будь-якої нової фізики, що має місце на масштабах, значно менших за ті, для опису яких були розроблені початкові теорії. Ми називаємо такі теорії ренормалізованими, оскільки «ренормалізуємо» нескінченні в іншому випадку передбачення, позбуваючись нескінченостей і залишаючи тільки скінченні, почуттєві відповіді.

Проте одна справа проголосити, що це необхідно. Довести, що це можливо, це вже зовсім інше. На відпрацювання цієї процедури знадобилося багато часу. У першому конкретному прикладі, який засвідчував, що це має сенс, було ретельно обраховано енергетичні рівні атомів водню, на основі чого було правильно передбачено виміряний у лабораторних умовах спектр світла, яке ці атоми випромінювали й поглинали.

Хоча Фейнман і його колеги по Нобелівській премії роз’яснили механізм математичної імплементації цієї методики ренормалізації, доведення, що квантова електродинаміка (КЕД) є «ренормалізованою» теорією, що дає можливість робити точні передбачення всіх фізичних величин, які тільки можна в рамках цієї теорії виміряти, було завершено Фріменом Дайсоном. Його доведення надало КЕД безпрецедентний статус у фізиці. КЕД надавала повну теорію квантових взаємодій електронів і світла з передбаченнями, які можна було порівнювати зі спостереженнями з необмежено високою точністю, обмеженою лише енергійністю та цілеспрямованістю теоретиків, які проводили обчислення. Як наслідок ми здатні неймовірно точно передбачити спектри випроміненого атомами світла й розробляти лазерні системи й атомні годинники, які змусили нас переосмислити поняття точності вимірювань відстані й часу. Передбачення КЕД настільки точні, що у своїх експериментах ми можемо шукати найменші відхилення від них, зондуючи ґрунт на предмет нової фізики, яка може постати за дослідження дедалі менших масштабів відстані й часу.

Нині, п’ятдесят років по тому, ми заднім числом розуміємо, що квантова електродинаміка є настільки визначною фізичною теорією почасти через пов’язану з нею «симетрію». Симетрії у фізиці дозволяють розкопувати глибинні характеристики фізичної реальності. Віднині й упродовж усього передбачуваного майбутнього саме пошук симетрій визначатиме прогрес фізики.

Симетрії відображають той факт, що зміна фундаментальних математичних величин, які описують фізичний світ, не приводить до зміни того, як наш світ функціонує чи виглядає. Наприклад, сферу можна повернути в будь-якому напрямку на довільний кут, і вона все одно виглядатиме так само. Ніякі фізичні параметри сфери не залежать від її орієнтації. Той факт, що закони фізики залишаються однаковими в різних місцях та в різні періоди часу, має величезне значення. Симетричність фізичних законів у часі – себто закони фізики ніяк не змінюються з часом – має наслідком закон збереження енергії у фізичному всесвіті.

Одна з фундаментальних симетрій у квантовій електродинаміці стосується природи електричних зарядів. Загальноприйняті позначення «позитивний» і «негативний» абсолютно довільні. Можна замінити всі позитивні заряди у всесвіті негативними й навпаки, і всесвіт виглядатиме й поводитиметься точнісінько так само.