Страница:
Любой принцип симметрии в то же самое время есть и принцип простоты. Если бы законы природы различали направления вверх, вниз или на север, то в уравнения, описывающие эти законы, пришлось бы ввести какие-то дополнения, позволяющие проследить за ориентацией наших лабораторий. Соответственно, сами уравнения стали бы заведомо более сложными. На самом деле даже та система обозначений, которую используют математики и физики, для того чтобы уравнения выглядели как можно проще и компактнее, основана на предположении, что все направления в пространстве эквивалентны.
Эти симметрии необычайно важны в классической физике, но их значение еще больше возрастает в квантовой механике. Рассмотрим, что отличает один электрон от другого? Только его энергия, импульс и спин; если не считать этих свойств, каждый электрон во Вселенной похож на любой другой. Все эти свойства электрона характеризуют то, каким образом его квантово-механическая волновая функция откликается на преобразования симметрии, а именно на изменения установки часов, местоположения или ориентации нашей лаборатории 23). Таким образом, вещество теряет свою главенствующую роль в физике: все, что остается, – это принципы симметрии и разные способы преобразования волновых функций под действием преобразований симметрии.
Существуют и менее очевидные преобразования пространства-времени, чем простые трансляции и вращения. Законы природы не меняют своей формы для наблюдателей, движущихся с различными постоянными скоростями: нет разницы, проводим ли мы эксперимент здесь, в Солнечной системе, крутящейся вокруг центра Галактики со скоростью в несколько сотен километров в секунду, или в далекой галактике, удаляющейся от нас со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Этот принцип симметрии часто называют принципом относительности. Широко распространено мнение, что он был сформулирован Эйнштейном, однако уже в ньютоновской механике был свой принцип относительности. Разница между ними только в том, как скорость движения наблюдателя влияет на наблюдение положений и моментов времени в обоих теориях. Но Ньютон просто постулировал свой принцип относительности; что же касается Эйнштейна, то он явно сформулировал его так, чтобы он был совместим с тем экспериментальным фактом, что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя. В этом смысле упор на симметрию как на вопрос, относящийся к физике, в работе Эйнштейна 1905 г. по специальной теории относительности ознаменовал начало современного отношения к роли принципов симметрии.
Самое важное отличие ньютоновской физики от эйнштейновской при ответе на вопрос, как движение наблюдателя влияет на наблюдение пространственно-временных положений, заключается в том, что в специальной теории относительности утверждение, что два удаленных друг от друга события произошли одновременно, не имеет абсолютного смысла. Один наблюдатель может видеть, что двое часов одновременно бьют полдень; другой наблюдатель, движущийся относительно первого, обнаруживает, что одни часы пробили полдень раньше или позже других. Как уже отмечалось выше, из-за этого ньютоновская теория гравитации, как впрочем и любая аналогичная теория тяготения, несовместима с специальной теорией относительности. Ньютоновская теория утверждает, что в любой момент времени сила притяжения, действующая со стороны Солнца на Землю, зависит от того, где в этот момент находится Солнце. Возникает вопрос: в этот же момент относительно чего?
Естественный способ исправить положение заключается в отказе от старой ньютоновской идеи о мгновенном действии на расстоянии и замене этой идеи картиной сил, обусловленных полями. В такой картине Солнце не притягивает Землю непосредственно; оно создает в окружающем пространстве поле, называемое гравитационным, которое затем оказывает силовое действие на Землю. Может показаться, что такое отличие не составляет большой разницы, но на самом деле разница огромная: когда, например, на поверхности Солнца возникает протуберанец, он сначала оказывает влияние только на гравитационное поле вблизи Солнца, после чего это небольшое изменение поля начинает распространяться в пространстве со скоростью света, как рябь на поверхности воды от брошенного камешка, достигая Земли примерно через восемь минут. Все наблюдатели, движущиеся с любой постоянной скоростью, согласны с таким описанием, так как в специальной теории относительности все наблюдатели измеряют одну и ту же скорость света. Подобным образом электрически заряженное тело создает поле, называемое электромагнитным, действующее посредством электрических и магнитных сил на другие заряженные тела. Когда электрически заряженное тело внезапно приходит в движение, электромагнитное поле меняется сначала только вблизи тела, а затем это изменение поля распространяется со скоростью света. На самом деле в этом случае изменения электромагнитного поля и естьто, что известно нам как свет, хотя это может быть свет такой большой или маленькой длины волны, которая недоступна нашему зрению.
В рамках доквантовой физики специальная теория относительности Эйнштейна хорошо согласовывалась с дуалистичной картиной природы: есть частицы, например электроны, протоны, нейтроны в обычных атомах, и есть поля – гравитационное или электромагнитное. Развитие квантовой механики привело к значительно более единой картине. С точки зрения квантовой механики энергия и импульс поля (например, электромагнитного) распространяются в виде сгустков, называемых фотонами, которые ведут себя как частицы, хотя и не имеющие массы. Аналогично, энергия и импульс гравитационного поля переносятся в виде сгустков, называемых гравитонами [103], также ведущими себя как частицы с нулевой массой. В длинно-действующем силовом поле вроде гравитационного поля Солнца мы не наблюдаем отдельных гравитонов главным образом потому, что их чрезвычайно много.
В 1929 г. Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, основываясь на более ранней работе Макса Борна, Гейзенберга, Паскуаля Йордана и Юджина Вигнера, объяснили в нескольких статьях, каким образом массивные частицы, такие как электрон, могут рассматриваться как сгустки энергии и импульса в полях разного типа, например электронном поле. Точно так же, как электромагнитная сила между двумя электронами возникает в рамках квантовой механики в результате обмена фотонами, так и сила между фотонами и электронами порождается обменом электронами. Различие между материей и силой в значительной степени исчезает: каждая частица может играть роль пробного тела, на которое действуют силы, но эта же частица, участвуя в обмене, может порождать другие силы. В наши дни общепринято считать, что единственный способ, позволяющий объединить принципы специальной теории относительности и квантовой механики, достигается в квантовой теории поля или в подобной теории. Это и есть та самая логическая жесткость, которая придает красоту истинно фундаментальной теории: квантовая механика и специальная теория относительности почти несовместимы и их союз в рамках квантовой теории поля накладывает сильные ограничения на возможные способы взаимодействия частиц друг с другом.
Все вышеупомянутые симметрии только ограничивают те типы сил и виды материи, которые может содержать теория, но сами по себе эти симметрии не требуютобязательного существования никакого определенного вида материи или силы. В ХХ в., особенно в последние десятилетия, значение принципов симметрии поднялось на новый качественный уровень: именно они определяют сейчас само существование всех известных сил в природе.
В общей теории относительности основополагающий принцип симметрии утверждает, что всесистемы отсчета эквивалентны: законы природы выглядят одинаково не только для наблюдателей, движущихся с любой постоянной скоростью, но вообще для всех наблюдателей, как бы ускоренно не двигались и не вращались их лаборатории. Представьте, что мы заберем свои физические приборы из тиши университетской лаборатории и начнем производить эксперименты на равномерно вращающейся карусели. Вместо того, чтобы отсчитывать все направления от севера, мы станем измерять их по отношению к деревянным лошадкам, укрепленным на вращающейся карусели. На первый взгляд все законы природы станут выглядеть совершенно иначе. Наблюдатели на вращающейся карусели ощущают центробежную силу, которая отбрасывает все незакрепленные предметы к наружному борту карусели. Если бы физики родились и выросли на карусели и не знали бы, что они находятся на вращающейся платформе, то сформулированные ими для описания природных явлений законы механики обязательно включали бы центробежную силу так что эти законы выглядели бы существенно иначе, чем те, которые известны нам.
Исаак Ньютон был очень встревожен тем, что законы природы, по-видимому, различают неподвижную и вращающуюся системы отсчета. Это тревожило физиков и в последующие столетия. В 1880-е гг. физик и философ из Вены Эрнст Мах указал на другую возможную интерпретацию этого явления. Мах подчеркнул, что есть еще кое-что, помимо центробежной силы, отличающее вращающуюся карусель от обычной лаборатории. С точки зрения астронома, находящегося на карусели, Солнце, звезды, галактики – короче говоря, вся материя во Вселенной кажется вращающейся вокруг зенита. Вы или я скажем, что это происходит, потому что вращается карусель, но астроном, выросший на карусели и, естественно, использующий ее как систему отсчета, будет настаивать, что вся остальная Вселенная вращается вокруг него. Мах задал вопрос, а нельзя ли рассматривать это великое кажущееся вращение материи как причину возникновения центробежной силы. Если так, то обнаруженные на карусели законы природы на самом деле ничем не отличаются от тех, которые найдены в более привычных лабораториях; кажущаяся разница возникает просто от того, что наблюдатели в разных лабораториях видят вокруг себя разные вещи.
Догадка Маха была подхвачена Эйнштейном и приняла конкретные формы в общей теории относительности. В этой теории действительно существует влияние далеких звезд, создающее эффект центробежной силы на вращающейся карусели. Это сила тяготения. Конечно, в ньютоновской теории тяготения нет ничего, кроме простого притяжения между массами. Общая теория относительности более сложна: вращение материи Вселенной вокруг зенита, наблюдаемое на карусели, порождает поле, чем-то напоминающее магнитное поле, образуемое током, циркулирующим в катушке электромагнита. Именно эта «гравимагнитная»сила производит в системе отсчета, связанной с каруселью, эффекты, которые в более привычных системах отсчета приписываются центробежной силе. Уравнения общей теории относительности, в противоположность уравнениям ньютоновской механики, сохраняют свой вид как в лаборатории на карусели, так и в обычной лаборатории; вся разница в наблюдениях в этих лабораториях полностью связана с разным окружением – в одном случае Вселенная вращается вокруг зенита, в другом случае – нет. Однако, если тяготения не существует, такая интерпретация центробежной силы была бы невозможной, так что сила, которую мы ощущаем, находясь на карусели, позволила бы отличить систему отсчета, связанную с этой каруселью, от более привычных лабораторных систем. Этим была бы исключена какая бы то ни было эквивалентность между вращающимися и неподвижными лабораториями. Отсюда можно сделать вывод: симметрия между различными системами отсчета требует существования гравитации.
Симметрия, которая лежит в основе электрослабой теории, еще более необычна. Она не имеет никакого отношения к изменению нашей точки зрения в пространстве и времени, а связана с изменением нашей точки зрения об идентичности разных типов элементарных частиц. Как мы видели ранее, частица может находиться в таком квантово-механическом состоянии, когда про нее нельзя сказать с достоверностью, что она находится здесь или там или вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки. Те же удивительные свойства квантовой механики позволяют частице находиться в состоянии, когда она не является с определенностью ни электроном, ни нейтрино, и это состояние существует до тех пор, пока мы не осуществим измерение некоторого свойства, отличающего эти две частицы, например их электрического заряда. В электрослабой теории форма законов природы не изменяется, если во всех наших уравнениях поменять электроны и нейтрино на такие смешанные состояния, которые не являются ни той, ни другой частицей. Поскольку с электронами и нейтрино взаимодействует множество других типов частиц, то одновременно необходимо перемешать семейства этих других частиц [104], например смешать u-кварки с d-кварками или фотоны с их родственниками – положительно и отрицательно заряженными W-частицами и нейтральными Z-частицами. Такая симметрия связывает электромагнитные силы, вызываемые обменом фотонами, со слабыми ядерными силами, которые порождаются обменом W– и Z-частицами. В электрослабой теории фотоны, W– и Z-частицы являются сгустками энергии четырех полей, существование которых диктуется симметрией электрослабой теории во многом аналогично тому, как гравитационное поле диктуется симметрией общей теории относительности.
Симметрии, подобные той, которая лежит в основе электрослабой теории, называются внутренними симметриями, так как мы воспринимаем их как некоторое внутреннее свойство частиц, не связанное с их положением в пространстве или характером движения. Внутренние симметрии менее знакомы нам, чем симметрии, действующие в обычном пространстве и времени и определяющие структуру ОТО. Чтобы чуть-чуть лучше понять, о чем идет речь, вы можете представить, что у каждой частицы есть маленький циферблат, стрелка которого показывает направления, помеченные словами «электрон» или «нейтрино», или «фотон» и « W», или находится в любом промежуточном состоянии. Внутренняя симметрия утверждает, что законы природы не меняют своей формы, если мы станем произвольным образом вращать стрелки на этих циферблатах.
Более того, в рамках того типа симметрий, которые определяют электрослабые силы, мы можем вращать эти стрелки по-разному для частиц в разных местах и в разные моменты времени. Это уже во многом похоже на симметрию, лежащую в основе общей теории относительности, которая позволяет поворачивать наши лаборатории не только на постоянный угол, но и на угол, увеличивающийся со временем, если, например, поместить лабораторию на карусель. Инвариантность законов природы по отношению к совокупности преобразований внутренних симметрий, которые зависят от местоположения и времени, называется локальнойсимметрией (поскольку результат преобразования симметрии зависит от положения в пространстве и времени) или калибровочнойсимметрией (по чисто историческим причинам) [105]. Именно локальная симметрия между разными системами отсчета в пространстве и времени приводит к необходимости существования тяготения. Во многом аналогичным образом другая локальная симметрия – между электронами и нейтрино (а также между u– и d-кварками и т.д.) – приводит к необходимости существования фотона и W– и Z-частиц.
Есть еще и другая точная локальная симметрия, связанная с внутренними свойствами кварков и получившая причудливое название «цвет» [106]. Мы видели, что существуют кварки разных типов, например кварки uи d, из которых сделаны протоны и нейтроны, входящие в состав всех обычных атомных ядер. Но кварки каждого из этих типов существуют в трех различных цветовых состояниях, которые физики (по крайней мере в США) часто называют красным, белым и синим. Конечно, все это не имеет никакого отношения к обычному цвету, а есть всего лишь способ отличить разновидности кварков данного типа. Насколько мы сейчас знаем, в природе существует точная симметрия между всеми цветами. Иными словами, сила, действующая между красным и белым кварками, равна силе, действующей между белым и синим кварками, а силы, действующие между двумя красными или двумя синими кварками, также равны друг другу. Но эта симметрия намного шире, чем просто симметрия по отношению к замене цветов кварков друг на друга. Согласно законам квантовой механики, можно рассматривать состояния отдельных кварков, которые не являются с определенностью красными, белыми или синими. Законы природы будут иметь точно ту же форму, если заменить красный, белый и синий кварки на кварки в трех подходящих смешанных состояниях (например, фиолетовый, розовый и бледно-лиловый). Опять же по аналогии с общей теорией относительности тот факт, что законы природы остаются прежними, даже если смешивание изменяется от точки к точке в пространстве и времени, приводит к необходимости включить в теорию семейство полей, аналогичных гравитационному полю и взаимодействующих с кварками. Таких полей восемь; их называют полями глюонов 24), так как большие силы, которые они порождают, склеивают вместе кварки внутри протонов и нейтронов. Современная теория этих сил, квантовая хромодинамика, как раз и есть теория кварков и глюонов, подчиняющаяся локальной цветовой симметрии. Стандартная модель элементарных частиц состоит из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики.
Я упоминал, что принципы симметрии придают теориям определенную жесткость. Может показаться, что это недостаток, что физик хочет развивать теории, способные охватить как можно более широкий круг явлений, и поэтому предпочел бы, чтобы теории были как можно более гибкими и не теряли смысла при самых разных обстоятельствах. Да, во многих областях науки это верно, но только не в той области фундаментальной физики, о которой идет речь. Мы находимся на пути к чему-то универсальному, к чему-то, что управляет физическими явлениями везде во Вселенной, к тому, что мы называем законами природы. Мы не хотим разрабатывать теорию, способную описать все мыслимые типы сил, которые могли бы действовать между частицами в природе. Напротив, мы надеемся найти такую теорию, которая жестко позволила бы нам описать только те силы – гравитационную, электрослабую и сильную, которые существуют на самом деле. Жесткость такого рода в наших физических теориях есть часть того, что мы понимаем под их красотой.
Но не только принципы симметрии придают нашим теориям жесткость. Основываясь только на этих принципах, мы не смогли бы прийти к электрослабой теории или квантовой хромодинамике; эти теории выступали бы как частные случаи намного более широкого круга теорий с неограниченным набором настраиваемых констант, которые могли бы выбираться совершенно произвольно. Дополнительные ограничения, позволяющие отобрать нашу простую стандартную модель из множества других, более сложных, теорий, удовлетворяющих тем же принципам симметрии, связаны с требованием, чтобы полностью сокращались все бесконечности, которые возникают в вычислениях. (Иначе говоря, теория должна быть «перенормируемой» [107].) Это условие, как оказывается, придает уравнениям теории большую простоту и вместе с разными локальными симметриями позволяет придать законченную форму нашей стандартной модели элементарных частиц.
Красота, которую мы обнаруживаем в таких теориях, как ОТО или стандартная модель, сродни той красоте, которую мы ощущаем в некоторых произведениях искусства благодаря вызываемому ими ощущению законченности и неизбежности: не хочется менять ни одной ноты, ни одного мазка кисти, ни одной строки. Однако, как и в нашем восприятии музыки, живописи или поэзии, это ощущение неизбежности есть дело вкуса и опыта и не может быть сведено к «сухой» формуле.
Каждые два года лаборатория им. Лоуренса в Беркли издает маленькую книжечку, в которой перечислены известные на данный момент свойства элементарных частиц 25). Если я выскажу утверждение: фундаментальным законом природы является то, что элементарные частицы имеют свойства, которые перечислены в книжечке, то отсюда можно будет сделать вывод, что известные свойства элементарных частиц следуют из этого фундаментального принципа. Этот принцип даже имеет некоторую предсказательную силу: каждый новый протон или электрон, созданный в наших лабораториях, будет иметь те самые массу и заряд, которые указаны в этой книжечке. Но, взятый сам по себе, этот принцип настолько уродлив, что никто и не подумает, будто вопрос исчерпан. Уродливость этого принципа – в отсутствии простоты и неизбежности. Ведь книжечка содержит тысячи чисел, и любое из них можно изменить, не превратив остальную информацию в глупость. Нет никакой логической формулы, которая устанавливала бы четкую границу между красивой теорией, способной что-то объяснить, и простым перечислением данных, но мы знаем, что эта граница существует, когда мы ее видим: мы требуем простоты и жесткости наших принципов, прежде чем принять их всерьез. Итак, наши эстетические суждения есть не только средство, помогающее нам найти научные объяснения и оценить их пригодность; эти суждения есть часть того, что мы подразумеваем под объяснением.
Иные ученые иногда подшучивают над физиками, занимающимися элементарными частицами, так как сейчас открыто столько так называемых элементарных частиц, что нам приходиться все время таскать с собой упомянутую книжечку, чтобы в нужный момент вспомнить о характеристиках какой-то из них. Но само по себе число частиц несущественно. Как сказал Абдус Салам, природа экономит не на частицах или силах, а на принципах. Важно установить набор простых, экономных принципов, которые объясняли бы, почему частицы такие, какие они есть. Конечно, огорчительно, что до сих пор у нас нет полной теории того типа, которого хотелось бы. Но когда такая теория будет построена, уже будет не очень существенно, сколько сортов частиц или сил она описывает, если только она делает это красиво, как неизбежное следствие простых принципов.
Тот тип красоты, который мы обнаруживаем в физических теориях, очень ограничен. Если только мне удалось правильно схватить суть и выразить ее в словах, речь идет о красоте простоты и неизбежности, о красоте идеальной структуры, красоте подогнанных друг к другу частей целого, красоте неизменяемости, логической жесткости. Такая красота классически строга и экономна, она напоминает красоту греческих трагедий. Но ведь это не единственный тип красоты, известный нам в искусстве. Например, мы не найдем этой красоты в пьесах Шекспира, по крайней мере, если не касаться его сонетов. Часто постановщики шекспировских пьес выкидывают целые куски текста. В экранизации «Гамлета» Лоуренсом Оливье Гамлет не говорит: «О, что за дрянь я, что за жалкий раб!..» И тем не менее пьеса не разрушается, так как шекспировские пьесы не обладают совершенной и экономной структурой, как общая теория относительности или «Царь Эдип»; наоборот, эти пьесы представляют собой запутанные композиции, причем их беспорядочность отражает сложность реальной жизни. Все это составляет часть красоты пьес Шекспира, которая, на мой вкус, более высокого порядка, чем красота пьесы Софокла или красота ОТО. Пожалуй, самые сильные моменты в пьесах Шекспира – это те, когда он полностью пренебрегает канонами греческой трагедии и внезапно вводит в действие комичного простака, какого-нибудь слугу, садовника, продавца смокв или могильщика и делается это как раз перед тем, как главные герои пьесы встречаются со своей судьбой. Несомненно, красота теоретической физики была бы очень дурным образцом для произведений искусства, но так или иначе она доставляет нам радость и служит путеводной нитью.
Есть и еще одно обстоятельство, которое заставляет меня думать, что теоретическая физика – плохой образец для искусств. Наши теории очень закрыты для всеобщего обозрения, причем по необходимости, так как мы вынуждены пользоваться при развитии этих теорий языком математики, не ставшей пока что частью интеллектуального багажа всей образованной публики. Вообще говоря, физики не любят признаваться, что их теории так эзотеричны. С другой стороны, я не один раз слышал, как некоторые художники с гордостью говорили о том, что их картины доступны для понимания только маленькой группе единомышленников, и в качестве подтверждения ссылались на пример физических теорий, вроде общей теории относительности, которые также понятны лишь избранным. Конечно, художники, как и физики, не всегда могут быть понятными широкой публике, однако эзотеризм как самоцель – просто глупость.
Хотя мы ищем теории, красота которых основана на жесткости, которую дают простые основополагающие принципы, все же создание теории – это не просто математический вывод следствий из набора заранее предписанных принципов. Эти принципы часто формулируются в процессе нашего продвижения вперед, иногда специально в такой форме, которая приводит к желаемой нами степени жесткости теории. У меня нет сомнений в том, что одна из причин, по которой Эйнштейн был так удовлетворен собственной идеей об эквивалентности гравитации и инерции, заключалась в том, что этот принцип приводил лишь к одной-единственной достаточно удовлетворительной теории тяготения, а не к бесконечно большому множеству возможных теорий. Получение следствий из определенного набора четко сформулированных физических принципов может оказаться делом сложным или не очень, но именно этому и учат физиков в высшей школе, и именно этим они, вообще говоря, любят заниматься. Формулировка же
Эти симметрии необычайно важны в классической физике, но их значение еще больше возрастает в квантовой механике. Рассмотрим, что отличает один электрон от другого? Только его энергия, импульс и спин; если не считать этих свойств, каждый электрон во Вселенной похож на любой другой. Все эти свойства электрона характеризуют то, каким образом его квантово-механическая волновая функция откликается на преобразования симметрии, а именно на изменения установки часов, местоположения или ориентации нашей лаборатории 23). Таким образом, вещество теряет свою главенствующую роль в физике: все, что остается, – это принципы симметрии и разные способы преобразования волновых функций под действием преобразований симметрии.
Существуют и менее очевидные преобразования пространства-времени, чем простые трансляции и вращения. Законы природы не меняют своей формы для наблюдателей, движущихся с различными постоянными скоростями: нет разницы, проводим ли мы эксперимент здесь, в Солнечной системе, крутящейся вокруг центра Галактики со скоростью в несколько сотен километров в секунду, или в далекой галактике, удаляющейся от нас со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Этот принцип симметрии часто называют принципом относительности. Широко распространено мнение, что он был сформулирован Эйнштейном, однако уже в ньютоновской механике был свой принцип относительности. Разница между ними только в том, как скорость движения наблюдателя влияет на наблюдение положений и моментов времени в обоих теориях. Но Ньютон просто постулировал свой принцип относительности; что же касается Эйнштейна, то он явно сформулировал его так, чтобы он был совместим с тем экспериментальным фактом, что скорость света не зависит от скорости движения наблюдателя. В этом смысле упор на симметрию как на вопрос, относящийся к физике, в работе Эйнштейна 1905 г. по специальной теории относительности ознаменовал начало современного отношения к роли принципов симметрии.
Самое важное отличие ньютоновской физики от эйнштейновской при ответе на вопрос, как движение наблюдателя влияет на наблюдение пространственно-временных положений, заключается в том, что в специальной теории относительности утверждение, что два удаленных друг от друга события произошли одновременно, не имеет абсолютного смысла. Один наблюдатель может видеть, что двое часов одновременно бьют полдень; другой наблюдатель, движущийся относительно первого, обнаруживает, что одни часы пробили полдень раньше или позже других. Как уже отмечалось выше, из-за этого ньютоновская теория гравитации, как впрочем и любая аналогичная теория тяготения, несовместима с специальной теорией относительности. Ньютоновская теория утверждает, что в любой момент времени сила притяжения, действующая со стороны Солнца на Землю, зависит от того, где в этот момент находится Солнце. Возникает вопрос: в этот же момент относительно чего?
Естественный способ исправить положение заключается в отказе от старой ньютоновской идеи о мгновенном действии на расстоянии и замене этой идеи картиной сил, обусловленных полями. В такой картине Солнце не притягивает Землю непосредственно; оно создает в окружающем пространстве поле, называемое гравитационным, которое затем оказывает силовое действие на Землю. Может показаться, что такое отличие не составляет большой разницы, но на самом деле разница огромная: когда, например, на поверхности Солнца возникает протуберанец, он сначала оказывает влияние только на гравитационное поле вблизи Солнца, после чего это небольшое изменение поля начинает распространяться в пространстве со скоростью света, как рябь на поверхности воды от брошенного камешка, достигая Земли примерно через восемь минут. Все наблюдатели, движущиеся с любой постоянной скоростью, согласны с таким описанием, так как в специальной теории относительности все наблюдатели измеряют одну и ту же скорость света. Подобным образом электрически заряженное тело создает поле, называемое электромагнитным, действующее посредством электрических и магнитных сил на другие заряженные тела. Когда электрически заряженное тело внезапно приходит в движение, электромагнитное поле меняется сначала только вблизи тела, а затем это изменение поля распространяется со скоростью света. На самом деле в этом случае изменения электромагнитного поля и естьто, что известно нам как свет, хотя это может быть свет такой большой или маленькой длины волны, которая недоступна нашему зрению.
В рамках доквантовой физики специальная теория относительности Эйнштейна хорошо согласовывалась с дуалистичной картиной природы: есть частицы, например электроны, протоны, нейтроны в обычных атомах, и есть поля – гравитационное или электромагнитное. Развитие квантовой механики привело к значительно более единой картине. С точки зрения квантовой механики энергия и импульс поля (например, электромагнитного) распространяются в виде сгустков, называемых фотонами, которые ведут себя как частицы, хотя и не имеющие массы. Аналогично, энергия и импульс гравитационного поля переносятся в виде сгустков, называемых гравитонами [103], также ведущими себя как частицы с нулевой массой. В длинно-действующем силовом поле вроде гравитационного поля Солнца мы не наблюдаем отдельных гравитонов главным образом потому, что их чрезвычайно много.
В 1929 г. Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, основываясь на более ранней работе Макса Борна, Гейзенберга, Паскуаля Йордана и Юджина Вигнера, объяснили в нескольких статьях, каким образом массивные частицы, такие как электрон, могут рассматриваться как сгустки энергии и импульса в полях разного типа, например электронном поле. Точно так же, как электромагнитная сила между двумя электронами возникает в рамках квантовой механики в результате обмена фотонами, так и сила между фотонами и электронами порождается обменом электронами. Различие между материей и силой в значительной степени исчезает: каждая частица может играть роль пробного тела, на которое действуют силы, но эта же частица, участвуя в обмене, может порождать другие силы. В наши дни общепринято считать, что единственный способ, позволяющий объединить принципы специальной теории относительности и квантовой механики, достигается в квантовой теории поля или в подобной теории. Это и есть та самая логическая жесткость, которая придает красоту истинно фундаментальной теории: квантовая механика и специальная теория относительности почти несовместимы и их союз в рамках квантовой теории поля накладывает сильные ограничения на возможные способы взаимодействия частиц друг с другом.
Все вышеупомянутые симметрии только ограничивают те типы сил и виды материи, которые может содержать теория, но сами по себе эти симметрии не требуютобязательного существования никакого определенного вида материи или силы. В ХХ в., особенно в последние десятилетия, значение принципов симметрии поднялось на новый качественный уровень: именно они определяют сейчас само существование всех известных сил в природе.
В общей теории относительности основополагающий принцип симметрии утверждает, что всесистемы отсчета эквивалентны: законы природы выглядят одинаково не только для наблюдателей, движущихся с любой постоянной скоростью, но вообще для всех наблюдателей, как бы ускоренно не двигались и не вращались их лаборатории. Представьте, что мы заберем свои физические приборы из тиши университетской лаборатории и начнем производить эксперименты на равномерно вращающейся карусели. Вместо того, чтобы отсчитывать все направления от севера, мы станем измерять их по отношению к деревянным лошадкам, укрепленным на вращающейся карусели. На первый взгляд все законы природы станут выглядеть совершенно иначе. Наблюдатели на вращающейся карусели ощущают центробежную силу, которая отбрасывает все незакрепленные предметы к наружному борту карусели. Если бы физики родились и выросли на карусели и не знали бы, что они находятся на вращающейся платформе, то сформулированные ими для описания природных явлений законы механики обязательно включали бы центробежную силу так что эти законы выглядели бы существенно иначе, чем те, которые известны нам.
Исаак Ньютон был очень встревожен тем, что законы природы, по-видимому, различают неподвижную и вращающуюся системы отсчета. Это тревожило физиков и в последующие столетия. В 1880-е гг. физик и философ из Вены Эрнст Мах указал на другую возможную интерпретацию этого явления. Мах подчеркнул, что есть еще кое-что, помимо центробежной силы, отличающее вращающуюся карусель от обычной лаборатории. С точки зрения астронома, находящегося на карусели, Солнце, звезды, галактики – короче говоря, вся материя во Вселенной кажется вращающейся вокруг зенита. Вы или я скажем, что это происходит, потому что вращается карусель, но астроном, выросший на карусели и, естественно, использующий ее как систему отсчета, будет настаивать, что вся остальная Вселенная вращается вокруг него. Мах задал вопрос, а нельзя ли рассматривать это великое кажущееся вращение материи как причину возникновения центробежной силы. Если так, то обнаруженные на карусели законы природы на самом деле ничем не отличаются от тех, которые найдены в более привычных лабораториях; кажущаяся разница возникает просто от того, что наблюдатели в разных лабораториях видят вокруг себя разные вещи.
Догадка Маха была подхвачена Эйнштейном и приняла конкретные формы в общей теории относительности. В этой теории действительно существует влияние далеких звезд, создающее эффект центробежной силы на вращающейся карусели. Это сила тяготения. Конечно, в ньютоновской теории тяготения нет ничего, кроме простого притяжения между массами. Общая теория относительности более сложна: вращение материи Вселенной вокруг зенита, наблюдаемое на карусели, порождает поле, чем-то напоминающее магнитное поле, образуемое током, циркулирующим в катушке электромагнита. Именно эта «гравимагнитная»сила производит в системе отсчета, связанной с каруселью, эффекты, которые в более привычных системах отсчета приписываются центробежной силе. Уравнения общей теории относительности, в противоположность уравнениям ньютоновской механики, сохраняют свой вид как в лаборатории на карусели, так и в обычной лаборатории; вся разница в наблюдениях в этих лабораториях полностью связана с разным окружением – в одном случае Вселенная вращается вокруг зенита, в другом случае – нет. Однако, если тяготения не существует, такая интерпретация центробежной силы была бы невозможной, так что сила, которую мы ощущаем, находясь на карусели, позволила бы отличить систему отсчета, связанную с этой каруселью, от более привычных лабораторных систем. Этим была бы исключена какая бы то ни было эквивалентность между вращающимися и неподвижными лабораториями. Отсюда можно сделать вывод: симметрия между различными системами отсчета требует существования гравитации.
Симметрия, которая лежит в основе электрослабой теории, еще более необычна. Она не имеет никакого отношения к изменению нашей точки зрения в пространстве и времени, а связана с изменением нашей точки зрения об идентичности разных типов элементарных частиц. Как мы видели ранее, частица может находиться в таком квантово-механическом состоянии, когда про нее нельзя сказать с достоверностью, что она находится здесь или там или вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки. Те же удивительные свойства квантовой механики позволяют частице находиться в состоянии, когда она не является с определенностью ни электроном, ни нейтрино, и это состояние существует до тех пор, пока мы не осуществим измерение некоторого свойства, отличающего эти две частицы, например их электрического заряда. В электрослабой теории форма законов природы не изменяется, если во всех наших уравнениях поменять электроны и нейтрино на такие смешанные состояния, которые не являются ни той, ни другой частицей. Поскольку с электронами и нейтрино взаимодействует множество других типов частиц, то одновременно необходимо перемешать семейства этих других частиц [104], например смешать u-кварки с d-кварками или фотоны с их родственниками – положительно и отрицательно заряженными W-частицами и нейтральными Z-частицами. Такая симметрия связывает электромагнитные силы, вызываемые обменом фотонами, со слабыми ядерными силами, которые порождаются обменом W– и Z-частицами. В электрослабой теории фотоны, W– и Z-частицы являются сгустками энергии четырех полей, существование которых диктуется симметрией электрослабой теории во многом аналогично тому, как гравитационное поле диктуется симметрией общей теории относительности.
Симметрии, подобные той, которая лежит в основе электрослабой теории, называются внутренними симметриями, так как мы воспринимаем их как некоторое внутреннее свойство частиц, не связанное с их положением в пространстве или характером движения. Внутренние симметрии менее знакомы нам, чем симметрии, действующие в обычном пространстве и времени и определяющие структуру ОТО. Чтобы чуть-чуть лучше понять, о чем идет речь, вы можете представить, что у каждой частицы есть маленький циферблат, стрелка которого показывает направления, помеченные словами «электрон» или «нейтрино», или «фотон» и « W», или находится в любом промежуточном состоянии. Внутренняя симметрия утверждает, что законы природы не меняют своей формы, если мы станем произвольным образом вращать стрелки на этих циферблатах.
Более того, в рамках того типа симметрий, которые определяют электрослабые силы, мы можем вращать эти стрелки по-разному для частиц в разных местах и в разные моменты времени. Это уже во многом похоже на симметрию, лежащую в основе общей теории относительности, которая позволяет поворачивать наши лаборатории не только на постоянный угол, но и на угол, увеличивающийся со временем, если, например, поместить лабораторию на карусель. Инвариантность законов природы по отношению к совокупности преобразований внутренних симметрий, которые зависят от местоположения и времени, называется локальнойсимметрией (поскольку результат преобразования симметрии зависит от положения в пространстве и времени) или калибровочнойсимметрией (по чисто историческим причинам) [105]. Именно локальная симметрия между разными системами отсчета в пространстве и времени приводит к необходимости существования тяготения. Во многом аналогичным образом другая локальная симметрия – между электронами и нейтрино (а также между u– и d-кварками и т.д.) – приводит к необходимости существования фотона и W– и Z-частиц.
Есть еще и другая точная локальная симметрия, связанная с внутренними свойствами кварков и получившая причудливое название «цвет» [106]. Мы видели, что существуют кварки разных типов, например кварки uи d, из которых сделаны протоны и нейтроны, входящие в состав всех обычных атомных ядер. Но кварки каждого из этих типов существуют в трех различных цветовых состояниях, которые физики (по крайней мере в США) часто называют красным, белым и синим. Конечно, все это не имеет никакого отношения к обычному цвету, а есть всего лишь способ отличить разновидности кварков данного типа. Насколько мы сейчас знаем, в природе существует точная симметрия между всеми цветами. Иными словами, сила, действующая между красным и белым кварками, равна силе, действующей между белым и синим кварками, а силы, действующие между двумя красными или двумя синими кварками, также равны друг другу. Но эта симметрия намного шире, чем просто симметрия по отношению к замене цветов кварков друг на друга. Согласно законам квантовой механики, можно рассматривать состояния отдельных кварков, которые не являются с определенностью красными, белыми или синими. Законы природы будут иметь точно ту же форму, если заменить красный, белый и синий кварки на кварки в трех подходящих смешанных состояниях (например, фиолетовый, розовый и бледно-лиловый). Опять же по аналогии с общей теорией относительности тот факт, что законы природы остаются прежними, даже если смешивание изменяется от точки к точке в пространстве и времени, приводит к необходимости включить в теорию семейство полей, аналогичных гравитационному полю и взаимодействующих с кварками. Таких полей восемь; их называют полями глюонов 24), так как большие силы, которые они порождают, склеивают вместе кварки внутри протонов и нейтронов. Современная теория этих сил, квантовая хромодинамика, как раз и есть теория кварков и глюонов, подчиняющаяся локальной цветовой симметрии. Стандартная модель элементарных частиц состоит из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики.
Я упоминал, что принципы симметрии придают теориям определенную жесткость. Может показаться, что это недостаток, что физик хочет развивать теории, способные охватить как можно более широкий круг явлений, и поэтому предпочел бы, чтобы теории были как можно более гибкими и не теряли смысла при самых разных обстоятельствах. Да, во многих областях науки это верно, но только не в той области фундаментальной физики, о которой идет речь. Мы находимся на пути к чему-то универсальному, к чему-то, что управляет физическими явлениями везде во Вселенной, к тому, что мы называем законами природы. Мы не хотим разрабатывать теорию, способную описать все мыслимые типы сил, которые могли бы действовать между частицами в природе. Напротив, мы надеемся найти такую теорию, которая жестко позволила бы нам описать только те силы – гравитационную, электрослабую и сильную, которые существуют на самом деле. Жесткость такого рода в наших физических теориях есть часть того, что мы понимаем под их красотой.
Но не только принципы симметрии придают нашим теориям жесткость. Основываясь только на этих принципах, мы не смогли бы прийти к электрослабой теории или квантовой хромодинамике; эти теории выступали бы как частные случаи намного более широкого круга теорий с неограниченным набором настраиваемых констант, которые могли бы выбираться совершенно произвольно. Дополнительные ограничения, позволяющие отобрать нашу простую стандартную модель из множества других, более сложных, теорий, удовлетворяющих тем же принципам симметрии, связаны с требованием, чтобы полностью сокращались все бесконечности, которые возникают в вычислениях. (Иначе говоря, теория должна быть «перенормируемой» [107].) Это условие, как оказывается, придает уравнениям теории большую простоту и вместе с разными локальными симметриями позволяет придать законченную форму нашей стандартной модели элементарных частиц.
Красота, которую мы обнаруживаем в таких теориях, как ОТО или стандартная модель, сродни той красоте, которую мы ощущаем в некоторых произведениях искусства благодаря вызываемому ими ощущению законченности и неизбежности: не хочется менять ни одной ноты, ни одного мазка кисти, ни одной строки. Однако, как и в нашем восприятии музыки, живописи или поэзии, это ощущение неизбежности есть дело вкуса и опыта и не может быть сведено к «сухой» формуле.
Каждые два года лаборатория им. Лоуренса в Беркли издает маленькую книжечку, в которой перечислены известные на данный момент свойства элементарных частиц 25). Если я выскажу утверждение: фундаментальным законом природы является то, что элементарные частицы имеют свойства, которые перечислены в книжечке, то отсюда можно будет сделать вывод, что известные свойства элементарных частиц следуют из этого фундаментального принципа. Этот принцип даже имеет некоторую предсказательную силу: каждый новый протон или электрон, созданный в наших лабораториях, будет иметь те самые массу и заряд, которые указаны в этой книжечке. Но, взятый сам по себе, этот принцип настолько уродлив, что никто и не подумает, будто вопрос исчерпан. Уродливость этого принципа – в отсутствии простоты и неизбежности. Ведь книжечка содержит тысячи чисел, и любое из них можно изменить, не превратив остальную информацию в глупость. Нет никакой логической формулы, которая устанавливала бы четкую границу между красивой теорией, способной что-то объяснить, и простым перечислением данных, но мы знаем, что эта граница существует, когда мы ее видим: мы требуем простоты и жесткости наших принципов, прежде чем принять их всерьез. Итак, наши эстетические суждения есть не только средство, помогающее нам найти научные объяснения и оценить их пригодность; эти суждения есть часть того, что мы подразумеваем под объяснением.
Иные ученые иногда подшучивают над физиками, занимающимися элементарными частицами, так как сейчас открыто столько так называемых элементарных частиц, что нам приходиться все время таскать с собой упомянутую книжечку, чтобы в нужный момент вспомнить о характеристиках какой-то из них. Но само по себе число частиц несущественно. Как сказал Абдус Салам, природа экономит не на частицах или силах, а на принципах. Важно установить набор простых, экономных принципов, которые объясняли бы, почему частицы такие, какие они есть. Конечно, огорчительно, что до сих пор у нас нет полной теории того типа, которого хотелось бы. Но когда такая теория будет построена, уже будет не очень существенно, сколько сортов частиц или сил она описывает, если только она делает это красиво, как неизбежное следствие простых принципов.
Тот тип красоты, который мы обнаруживаем в физических теориях, очень ограничен. Если только мне удалось правильно схватить суть и выразить ее в словах, речь идет о красоте простоты и неизбежности, о красоте идеальной структуры, красоте подогнанных друг к другу частей целого, красоте неизменяемости, логической жесткости. Такая красота классически строга и экономна, она напоминает красоту греческих трагедий. Но ведь это не единственный тип красоты, известный нам в искусстве. Например, мы не найдем этой красоты в пьесах Шекспира, по крайней мере, если не касаться его сонетов. Часто постановщики шекспировских пьес выкидывают целые куски текста. В экранизации «Гамлета» Лоуренсом Оливье Гамлет не говорит: «О, что за дрянь я, что за жалкий раб!..» И тем не менее пьеса не разрушается, так как шекспировские пьесы не обладают совершенной и экономной структурой, как общая теория относительности или «Царь Эдип»; наоборот, эти пьесы представляют собой запутанные композиции, причем их беспорядочность отражает сложность реальной жизни. Все это составляет часть красоты пьес Шекспира, которая, на мой вкус, более высокого порядка, чем красота пьесы Софокла или красота ОТО. Пожалуй, самые сильные моменты в пьесах Шекспира – это те, когда он полностью пренебрегает канонами греческой трагедии и внезапно вводит в действие комичного простака, какого-нибудь слугу, садовника, продавца смокв или могильщика и делается это как раз перед тем, как главные герои пьесы встречаются со своей судьбой. Несомненно, красота теоретической физики была бы очень дурным образцом для произведений искусства, но так или иначе она доставляет нам радость и служит путеводной нитью.
Есть и еще одно обстоятельство, которое заставляет меня думать, что теоретическая физика – плохой образец для искусств. Наши теории очень закрыты для всеобщего обозрения, причем по необходимости, так как мы вынуждены пользоваться при развитии этих теорий языком математики, не ставшей пока что частью интеллектуального багажа всей образованной публики. Вообще говоря, физики не любят признаваться, что их теории так эзотеричны. С другой стороны, я не один раз слышал, как некоторые художники с гордостью говорили о том, что их картины доступны для понимания только маленькой группе единомышленников, и в качестве подтверждения ссылались на пример физических теорий, вроде общей теории относительности, которые также понятны лишь избранным. Конечно, художники, как и физики, не всегда могут быть понятными широкой публике, однако эзотеризм как самоцель – просто глупость.
Хотя мы ищем теории, красота которых основана на жесткости, которую дают простые основополагающие принципы, все же создание теории – это не просто математический вывод следствий из набора заранее предписанных принципов. Эти принципы часто формулируются в процессе нашего продвижения вперед, иногда специально в такой форме, которая приводит к желаемой нами степени жесткости теории. У меня нет сомнений в том, что одна из причин, по которой Эйнштейн был так удовлетворен собственной идеей об эквивалентности гравитации и инерции, заключалась в том, что этот принцип приводил лишь к одной-единственной достаточно удовлетворительной теории тяготения, а не к бесконечно большому множеству возможных теорий. Получение следствий из определенного набора четко сформулированных физических принципов может оказаться делом сложным или не очень, но именно этому и учат физиков в высшей школе, и именно этим они, вообще говоря, любят заниматься. Формулировка же