Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

От сил мы переходим к полям, а от (квантовых) полей — к частицам.

От частиц мы переходим к квантовым полям, а от полей — к силам.

Таким образом мы понимаем, что вещество и сила — два аспекта единой, лежащей в их основе реальности.

ЧЕТЫРЕ СИЛЫ

Здесь я коротко обрисую, в какой мере все вышеописанное — принципы и свойства, воплощенные в нескольких типах частиц, — помогает нам интерпретировать природу четырех известных сил[63], или фундаментальных взаимодействий.

Как мы только что видели, на следующем, более глубоком уровне частицы заменяются полями.

Эти четыре взаимодействия (и соответствующие теории) таковы:

• электромагнитное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая электродинамика (КЭД);

• сильное взаимодействие, или, во всем квантовом величии, квантовая хромодинамика (КХД);

• гравитационное взаимодействие, рассматриваемое общей теорией относительности Эйнштейна;

• слабое взаимодействие.

Когда речь идет о земной материи, доминируют электромагнитное и сильное взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие удерживает вместе атомы и управляет организованными из них структурами. Эти же силы описывают, как атомы взаимодействуют со светом. Сильное взаимодействие обеспечивает целостность ядер атомов и управляет их структурой.

Гравитационные силы, действующие между элементарными частицами, чрезвычайно слабы, но растут, когда частиц много. Так что если речь о больших (незаряженных) телах, то эти силы становятся основными.

Слабые силы управляют атомными превращениями и ведут к распаду частиц, которые в противном случае оставались бы стабильными. Они же обусловливают протекание реакций с выделением энергии. Заметим, что такие реакции — основной источник энергии звезд, включая наше Солнце.

Прежде чем погрузиться в детали, хочу объяснить два принятых мною решения. Первое касается выбора слов. Физики часто говорят не о четырех «силах», а о четырех «взаимодействиях». В пользу такого выбора есть вполне правомерный аргумент. В механике Ньютона слово «сила» имеет точное значение — определяет потенциальную причину движения. Но, например, в словосочетании «слабая сила» то же слово подразумевает совсем другое, а именно процессы, приводящие к превращению одних частиц в другие. Тем не менее я остановлюсь на словосочетании «слабая сила»: оно менее высокопарно[64], чем «слабое взаимодействие».

Второе решение затрагивает самую суть того, чего я надеюсь достичь этой книгой. Большая ценность наших теорий четырех сил — возможность точно и понятно выразить их в нескольких уравнениях. С точки зрения философии это означает нечто вполне конкретное, понятное и без математического образования. А именно наши теории без ущерба для содержания можно переформулировать в виде довольно коротких компьютерных программ и затем объединить в одну главную программу. Но даже эта программа — операционная система физического мира — будет значительно короче, скажем, операционной системы вашего компьютера.

Но у этого исключительного «сжатия данных» есть оборотная сторона: информация зашифрована, и шифр отличается от естественного человеческого языка.

Исходные уравнения или эквивалентные им компьютерные программы используют символы и понятия, совсем непохожие на привычные нам конструкции. Только после долгих вычислений и толкований можно перейти от уравнений к их следствиям, о которых легко рассказать.

В связи с этим я должен был выбирать — и не раз, — как добраться до истоков и какие их последствия выделить. Основной посыл остался прежним — небольшого числа законов достаточно для управления физическим миром.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА (КЭД)

Электрический атом

Основные правила для электромагнитного взаимодействия, начиная с закона Кулона и кончая выводом уравнений Максвелла, формулировались на основе опытов с объектами, размеры которых сопоставимы с человеческими. Приступив к исследованию субатомного мира, ученые предположили, что и там наиболее важны электромагнитные силы, а для их описания по-прежнему можно использовать уравнения Максвелла. Это был радикально-консервативный подход.

Подобная смелая стратегия работает на удивление хорошо. Если согласиться с тем, что основная масса атома и весь его положительный заряд сосредоточены в маленьких ядрах, а кроме этого есть только электроны, все остальное можно отдать на откуп уравнениям Максвелла плюс квантовым условиям, относящимся на этот раз к электронному полю. Вместе они дают одновременно точную и результативную модель атома.

Откуда мы знаем, что она верна? Атомы поют, открывая души свету. Я позволил себе некоторую поэтическую вольность, но эта фраза описывает и мастерство, и научный метод спектроскопии.

Спектроскопия