Сім основних уроків з фізики - Карло Ровеллі

Мал. 7

Ми знаємо, що цей безмежний еластичний всесвіт засіяний галактиками й ось уже пятнадцять мільярдів років створюється з надзвичайно гарячої та щільної малої хмарки. Щоб репрезентувати це бачення, нам не потрібно більше зображувати всесвіт, але слід зобразити його повну історію. У вигляді діаграми вона зображена на мал. 8:

Мал. 8

Всесвіт починався як маленька кулька, що вибухнула, набувши згодом теперішніх космічних розмірів. Це наш сучасний образ Всесвіту в найбільшому масштабі, який тільки може бути відомий. Чи є щось іще? Чи було щось перед тим? Можливо, так.

Я розкажу про це через пару уроків. Чи існують інші всесвіти, подібні до нашого чи абсолютно відмінні від нього? Ми не знаємо.

4. Частинки

У всесвіті, описаному в минулому уроці, світло і тіла рухаються. Світло складається з фотонів, частинок світла, які інтуїтивно прозрівав Ейнштейн. Речі, що ми бачимо, складаються з атомів, кожен атом – із ядра, оточеного електронами, кожне ядро – зі щільно упакованих протонів і нейтронів. І протони, і нейтрони складаються з навіть іще менших частинок, які американський фізик Мюррей Геллман назвав кварками. Його надихнуло абсурдне слово в абсурдній фразі з твору Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом» – «Три кварки для Мастера Марка!» Усе, чого ми торкаємось, складається з електронів і цих самих кварків.

Сила, що склеює кварки всередині протонів і нейтронів, генерується частинками, що їх фізики дещо жартома назвали «глюони»[1].

Електрони, кварки, фотони і глюони – компоненти всього, що «гойдається» у просторі навколо нас. Це і є елементарні частинки, що їх вивчає фізика елементарних частинок. До них ми можемо додати нейтрино, що мчать крізь всесвіт і мало взаємодіють з нами, а також бозони Гіггса, відкриті нещодавно в ЕОЯДі[2], на великому електронно-позитронному коллайдері в Женеві. Але їх зовсім не так багато, фактично менше ніж десять типів. Жменька елементарних інгредієнтів, що діють як деталі гігантського набору «Лего», з яких, власне, і сконструйована матеріальна реальність, що нас оточує.

Природа цих частинок та способи їхнього руху описуються квантовою механікою. Ці частинки не можна уявляти як камінчики або піщинки, вони – кванти відповідного поля, як фотони – кванти електромагнітного поля. Вони – елементарні збудники в рухливому субстраті, подібному до поля Фарадея і Максвелла, крихітні рухливі хвильки. Вони зникають і знову з’являються за дивовижними законами квантової механіки, де все, що існує, не є стабільним, а є нічим іншим, як стрибками від однієї взаємодії до іншої. І навіть якщо ми обстежимо маленький порожній клаптик всесвіту, де немає атомів, ми все ж відшукаємо там дрібнесенькі брижі від цих частинок.

Не існує справжньої порожнечі, абсолютно порожньої, навіть на поверхні найспокійнішого моря є легенькі, слабкі брижі і тремтіння. Так і поля, що формують світ, здатні до вкрай малих флуктуацій; і можна собі уявити, що частинки, які їх утворюють, мають коротке та ефемерне існування, постійно створюються та руйнуються у постійному русі.

Це світ, описаний квантовою механікою і теорією елементарних частинок. Ми опинилися далеко від механічного світу Ньютона і Лапласа, де дрібнісінькі холодні камінці рухаються вічно, по безкінечних усталених траекторіях у геометрично правильному космосі. Квантова механіка та експерименти з частинками навчили нас, що світ – це постійне невтомне роїння, постійне виникнення і зникнення ефемерних сутностей, сукупність вібрацій, як у психоделічному світі хіппі 60-х років.

Деталі теорії частинок вибудовувались поступово в 1950-х, 1960-х та в 1970-х роках великими фізиками Річардом Фейнманом і Маррі Гелл-Маном. Ця робота привела до дуже складної теорії, яка ґрунтується на квантовій механіці; теорії, що отримала не дуже романтичну назву «стандартна модель елементарних частинок». «Стандартна модель» була завершена в 1970-х роках після тривалої серії експериментів, що підтвердили всі припущення.

Заключне підтвердження відбулося у 2013 році з відкриттям бозона Гіггса.

Але попри серію успішних експериментів стандартна модель ніколи не сприймалась фізиками серйозно. Це теорія, на перший погляд часткова і зібрана з розрізнених частин. Вона складається з різних частин та рівнянь, зібраних без чіткого упорядкування. Певна кількість полів (але чому саме ці поля?) взаємодіють між собою з певними силами (але чому саме ці сили?), кожна визначається певними константами (але чому саме ці конкретні значення?), продемонстровані певні симетрії (але знову ж таки – чому саме ці?). Ми віддалилися від простоти рівнянь загальної відносності і квантової механіки.

Способи, за допомогою яких рівняння стандартної моделі роблять припущення про світ, теж чомусь абсурдно ускладнені. Якщо застосовувати ці рівняння безпосередньо, отримаємо нісенітницю в передбаченнях – кожна обчислювана величина перетворюється на нескінченність. Щоб отримати осмислені результати, щоб збалансувати абсурдні результати і зробити їх прийнятними, надати їм здорового глузду, треба уявити параметри, що входять до них, теж нескінченно великими.

Ця ускладнена і «барокова» процедура отримала термінологічну назву «реномалізація». На практиці це працює, але полишає гіркий присмак у роті кожного, хто жадає простоти законів природи.

В останні роки свого життя другий після Ейнштейна великий фізик ХХ століття, Поль Дірак, архітектор квантової механіки й автор першого і основного рівняння стандартної моделі, неодноразово висловлював незадоволення з цього приводу, підсумовуючи, що «ми так і не розв’язали задачу».

На додачу до всього – нещодавно виявили разючі обмеження стандартної моделі. Навколо кожної галактики астрономи спостерігають велику хмару речовини, існування якої можна виявити через гравітаційне тяжіння, яким ця хмара діє на зірки, а також відхиляє світло. Але ці великі хмари, в яких ми спостерігаємо гравітаційний ефект, не видно безпосередньо, і ми не знаємо, з чого вони складаються.

Було запропоновано численні гіпотези, але, здається, жодна з них не працює. Ясно, що там є щось. Зараз це називають «темна матерія». Це щось, чого не описує стандартна модель, інакше ми б це бачили.

Щось інше, не атоми, не нейтрино, не фотони…

Дивно, любий читачу, але в небі та на Землі є ще речі, які й не снилися нашій філософії – або нашій фізиці.

До недавнього часу ми навіть не підозрювали про існування радіохвиль і нейтрино, які наповнюють Всесвіт. Стандартна модель сьогодні залишається найкращим з того, що ми маємо. Якщо судити про світ речей – її