Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [178]

*****

Квантовая первооснова. Принципы организации природы действуют не в изоляции друг от друга, а составляют единую картину – уже по той одной причине, что работают в одной и той же Вселенной. Ситуации, в которых нам непонятно, как два разных принципа совмещаются, представляют собой движущую силу прогресса или по крайней мере постоянное напоминание, что прогресс (был бы) желателен; дежурный пример – квантовая гравитация, т. е. соединение идеи искривленного пространства-времени с квантовыми концепциями; непонятно, как они работают вместе. На этой «квантовой» прогулке мы деликатно не будем даже вспоминать про общую теорию относительности. Зато со специальной теорией относительности все совсем неплохо: за два с небольшим десятилетия после создания квантовой механики, с перерывом на Вторую мировую войну, было достигнуто понимание, как совместить квантовые принципы с принципом относительности. Это понимание с тех пор углублялось по мере своего распространения на новые аспекты реальности, открываемые в экспериментах. Содержательная часть тут довольно сложна, но для наших целей достаточно взгляда с высоты птичьего полета.

Проникновение в субатомный мир открыло элементарные частицы в качестве самого простого, что там есть. Название «частица» несколько сбивает, потому что им нельзя приписать ряд свойств, которыми мы наделяем обычные частицы, из-за чего они не очень-то и «частицы», но название давно установилось. В статусе их существования, как бы то ни было, обнаруживается дополнительная странность, связанная с Самой знаменитой формулой E = mc², которая говорит, что энергия и масса суть одно и то же. Для заданной массы частицы имеется характерная длина ħ/(mc), симптоматично определяемая с помощью двух мировых констант: постоянная Планка отвечает за квантовые эффекты, а скорость света – за эффекты, связанные с относительностью (структурой пространства-времени). Выберем для определенности электрон; тогда m – это его масса, а указанная длина составляет 2,4 × 10^–10 см, т. е. тысячные доли нанометра. На этих и меньших расстояниях картина реальности несколько «расползается» вот каким образом: неопределенность в количестве движения электрона оказывается столь велика, что соответствующая ей неопределенность в значении энергии движения может превышать 2mc². Но если энергия определена только с такой «погрешностью», то и число частиц больше не определено точно! Каждая «неточность» указанного размера имеет в качестве своего носителя пару, состоящую из электрона и его античастицы, позитрона (пара необходима, чтобы суммарный электрический заряд оставался равным нулю). Мы приходим к выводу, что из-за совместного действия квантовых законов и теории относительности количество имеющихся частиц невозможно точно фиксировать на малых расстояниях; электрон перестает быть одним электроном. Принцип неопределенности в сочетании с теорией относительности настигает, казалось бы, незыблемое – «количество предметов», в данном случае элементарных частиц. Если выражаться фигурально, на малых масштабах об электроне оказывается невозможным говорить без «ряби в глазах».

Принцип неопределенности распространяется на количество частиц в малом объеме

Развитие этой идеи привело к выводу, что электрон (как и любая элементарная частица) – не самый фундаментальный объект, а представляет собой проявление чего-то более фундаментального, что уже совсем не похоже на частицы. Оно, это более фундаментальное, само распоряжается появлением и исчезновением электронов и позитронов, следя при этом за выполнением и законов сохранения, и принципа относительности, и квантовых принципов, включая и принцип неопределенности. Теоретическая конструкция, в рамках которой удалось совместно реализовать набор непростых требований, получилась несколько вычурной математически, но с этим приходится мириться, потому что более простой придумать не удается, а эта, кроме того, продемонстрировала феноменальную – не превзойденную нигде в науке – степень согласия теоретических предсказаний с наблюдениями. На фундаментальном уровне, согласно этим идеям, мир состоит из квантовых полей – распределенных в пространстве сущностей, которые способны нести энергию, но содержат в своей природе непримиримость, инспирированную постоянной Планка ħ.

Квантовое поле представляет собой сваленные в кучу квантовые колебательные системы – такие, где есть нулевые колебания, а все другие уровни энергии разделены одинаковыми интервалами. «Куча» эта колоссальна: колебательные системы существуют при каждом возможном значении количества движения. Выберите любое количество движения (три числа) – для него есть своя колебательная система. Ее пространственное положение не определено, и можно сказать, что квантовое поле заполняет все пространство. Колебательные системы, которые все вместе составляют поле, – это возможности для того, чтобы в них происходили колебания: если угодно, это «ниши», которые могут заполняться передаваемой полю энергией. Когда колебания на первом уровне энергии возникают в колебательной системе, отвечающей выбранному количеству движения, в природе появляется электрон (или, в зависимости от некоторых дополнительных подробностей, позитрон) с данным количеством движения. А взаимоотношение всех этих колебательных систем с пространством-временем таково, что никакие сигналы не передаются быстрее скорости света и вообще выполнены все требования специальной теории относительности. Теоретическая конструкция, которая обеспечивает все это, называется квантовой теорией поля.