Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Таким чином, можна уявити, що у квантовій електродинаміці неприємні доданки, часто нелінійні, які можуть привести до безкінечності в результаті, можуть взаємоскоротитися з іншими потенційно неприємними доданками, і безкінечність у результаті зникне. І саме це в КЕД і відбувається. Калібрувальна симетрія гарантує, що будь-які безкінечності, які могли б виникнути в процесі виведення фізичних формул, можна або взаємоскоротити, або, виходячи із симетрії, вони вийдуть за межі всіх фізично вимірюваних величин.

Цей винятково важливий результат, доведений десятиліттями роботи кількох найбільш творчих і талановитих фізиків-теоретиків світу, закріпив за КЕД статус найточнішої та найвидатнішої квантової теорії ХХ століття.

І тим сумніше було виявити, що, хоча ця математична краса дійсно надає переконливе розуміння однієї з фундаментальних сил природи, а саме електромагнетизму, під час розгляду сил, що визначають поведінку атомних ядер, починаються інші халепи.

Коли я вперше дізнався, що ми, людські істоти, є радіоактивними, я був шокований. Я був у школі й слухав лекцію видатного полімата й астрофізика Томмі Ґолда, автора першопрохідницьких робіт із космології, пульсарів і селенології, і він проінформував нас, що частинки, які складають більшу частину маси нашого тіла, а саме нейтрони, є нестабільними із середнім часом життя приблизно десять хвилин.

Оскільки, як я сподіваюся, ви вже читаєте цю книгу більше десяти хвилин, вас це також може здивувати. Розв’язання цього вдаваного парадоксу є однією з найперших та найчудовіших з усіх витіюватих випадковостей природи, які уможливлюють наше з вами існування. У міру нашого занурення дедалі глибше в питання «Чому існуємо ми?» ця випадковість дедалі яскравіше вимальовуватиметься на горизонті. Хоча може здатися, що нейтрони не мають нічого спільного зі світлом, яке досі було головним героєм нашої оповіді, ми побачимо, що врешті-решт вони глибоко взаємопов’язані. Факт нейтронного розпаду, відповідальний за бета-розпад нестабільних ядер, змусив фізиків вийти за межі простих та вишуканих теорій світла й почати вивчення нових фундаментальних сфер усесвіту.

Проте я дещо забігаю вперед.

1929 року, коли Дірак уперше виписав свою теорію електронів і випромінювання, здавалося, що вона зрештою стане теорією майже всього. Єдиною іншою силою на майданчику, крім електромагнетизму, була гравітація, величезні кроки в розумінні якої щойно здійснив Ейнштейн. Множина елементарних частинок складалася з електронів, фотонів і протонів, з яких разом узятих складалися всі об’єкти, що здавалися необхідними для розуміння атомів, хімії, життя і всесвіту.

Відкриття античастинок трохи похитало човен, проте оскільки теорія Дірака їх ефективно передбачила (попри те, що самому Діраку довелося доростати до власної ж теорії), це нагадувало швидше «лежачого поліцейського» на дорозі до реальності, аніж завал чи відхилення від курсу.

Далі настав 1932 рік. До цього часу науковці виходили з того, що атоми складаються лише з протонів та електронів. Проте була невеличка проблема: маси атомів не сходилися. 1911 року Резерфорд відкрив існування атомного ядра – маленької ділянки, у сто тисяч разів меншої за радіус орбіт електронів, де була зосереджена майже вся маса атомів. Після цього відкриття стало зрозуміло, що маса важкого ядра трохи більш ніж удвічі перевищує масу, яку воно мало б мати, якщо кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів на орбітах навколо нього, що необхідно для електричної нейтральності атомів.

Було запропоноване просте вирішення цієї головоломки. Насправді в ядрі перебуває удвічі більше протонів, ніж електронів навколо, проте всередині ядра утримується рівно стільки електронів, скільки потрібно, щоб сумарний електричний заряд атома дорівнював нулю.

Проте з квантової механіки випливало, що електрони не можуть утримуватися всередині ядра. Формальне обґрунтування цього вельми складне, проте в спрощеному вигляді звучить приблизно так: якщо елементарні частинки мають хвилеподібний характер, то для того, щоб утримати їх у «стійлі» на невеличкій ділянці, величина довжини їхньої хвилі має бути меншою за розмір цієї ділянки. Проте у квантовій механіці пов’язана з частинкою довжина хвилі обернено пропорційна до імпульсу цієї частинки, а отже, обернено пропорційна й до енергії, яку ця частинка несе. Якби електрони були обмежені ділянкою з розмірами атомного ядра, вони повинні були б мати енергію, у мільйони разів більшу за пов’язану з характеристичними енергіями, яку електрони випускають у результаті переходу з одного енергетичного рівня своїх атомних орбіт на інший.