Джон Гриббин - В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Это туманные, не несущие удовлетворения и в целом загадочные идеи. Фундаментальных ответов пока не получено, но знание о том, что наше понимание «пустого пространства» на самом деле сбивчиво и ненадежно, туманно и неудовлетворительно, не принесет вам вреда. Оно расширяет наш разум таким образом, что он получает возможность предположить, будто все материальные частицы на самом деле не более чем искривленные фрагменты пустого пространства. Делая вывод о том, что теории, которые мы «понимаем», не выдерживают проверки, можно предположить, что прогресса следует ждать от того, что мы еще не понимаем, а потому интересно проследить за тем, что предложат нам квантовые геометры в ближайшие годы.

Симметрия – это фундаментальная концепция физики. Например, фундаментальные уравнения являются симметричными с позиции времени и прекрасно работают как для движения вперед во времени, так и для движения во времени назад. Другую симметрию можно понять с позиции геометрии. Скажем, вращающаяся сфера может отражаться в зеркале. Если мы посмотрим сверху вниз на верхушку сферы, она может предстать перед нами вращающейся против часовой стрелки, и в этом случае ее отражение будет вращаться по часовой стрелке. И настоящая сфера, и ее отражение движутся способом, позволенным законами физики, которые в этом смысле симметричны (и, конечно, отражение сферы вращается именно так, как вращалась бы настоящая сфера, если бы время пустили вспять; если же время обращено вспять и сделано зеркальное отражение, мы снова возвращаемся к началу). В природе существует множество других видов симметрии. Некоторые из них легко понять при описании обычным языком – электрон и позитрон, к примеру, можно представить зеркальными отражениями друг друга и точно так же один из них можно представить движущимся назад во времени оппонентом другого. Обратный положительный заряд – это отрицательный заряд. Вместе эти идеи об отражении в пространстве (называемые изменением четности, так как лево и право меняются местами), отражении во времени и отражении заряда составляют один из самых серьезных глубинных принципов физики, теоремы СРТ, которая гласит, что законы физики не должны претерпевать изменений при одновременном изменении всех трех законов на их зеркальные отражения. Именно теорема СРТ является основой предположения о том, что испускание частицы является точным эквивалентом поглощения ее античастицы-двойника.

Рис. Э.4. Симметрия отражения. Вращение сферы в зеркальном мире соответствует ее вращению в реальном мире, где время повернуто вспять.

Но другие типы симметрии гораздо сложнее описать обычным языком – для полного их понимания необходим язык математики. Однако эти типы симметрии необычайно важны для понимания последних новостей с фронта частиц, поэтому задумайтесь о простом физическом примере: представьте мяч, который балансирует на лестнице. Если мы передвинем мяч на другую ступеньку, мы изменим его потенциальную энергию в гравитационном поле, в котором он находится. Неважно, как мы двигаем мяч – мы можем взять его в кругосветное путешествие или отправить на ракете на Марс и обратно и лишь потом переместить на новую ступеньку. Величина потенциальной энергии зависит исключительно от высоты двух ступенек – той, на которой мяч лежит изначально, и той, на которой он оказывается в результате наших манипуляций. Неважно, от чего мы будем отталкиваться при измерении потенциальной энергии. Мы можем начать с подвала и давать каждой из ступенек большую потенциальную энергию, или же мы можем начать с более низкой из двух ступенек, и в таком случае эта ступенька будет соответствовать нулевой потенциальной энергии [80]. Разница потенциальной энергии на двух ступеньках все равно будет одинаковой. Это особый тип симметрии, и, поскольку мы можем «откалибровать» начальный уровень, относительно которого мы совершаем измерения, такая симметрия называется калибровочной.

То же самое происходит с электрическими силами. В результате электромагнетизм Максвелла оказывается калибровочной постоянной, а квантовая электродинамика – калибровочной теорией, как и квантовая хромодинамика, разработанная на основе КЭД. Сложности возникают при обращении с материальными полями на квантовом уровне, но все их можно полно объяснить с помощью теории, которая демонстрирует калибровочную симметрию. Однако одной из важнейших характеристик квантовой электродинамики является то, что она обладает только калибровочной симметрией, поскольку масса фотона равняется нулю. Как выясняется, если бы фотон обладал хоть какой-то массой, было бы невозможно перенормировать теорию и избавиться от бесконечностей. Это становится проблемой, когда физики пытаются использовать успешную калибровочную теорию электромагнитного взаимодействия в качестве модели для разработки такой же теории слабого ядерного взаимодействия – процесса, который отвечает, помимо прочего, за радиоактивный распад и испускание бета-частиц (электронов) из радиоактивных ядер. Точно так же, как электрическая сила переносится (или распространяется) фотонами, слабое взаимодействие должно распространяться собственным бозоном. Но все гораздо сложнее, поскольку, чтобы электрический заряд мог передаваться при слабых взаимодействиях, слабый бозон («фотон» слабого поля) должен обладать зарядом. Поэтому на самом деле должно существовать две таких частицы, бозоны W +и W -, а так как слабые взаимодействия не всегда предполагают перенос заряда, теоретикам пришлось внедрить третий переносчик, нейтральный Ζ-бозон, без которого набор слабых фотонов не мог считаться полным. Теория настаивала на существовании третьей частицы, что поначалу сбивало физиков с толку, ведь у них не было экспериментального свидетельства ее существования.