Семь этюдов по физике

Вдобавок в последнее время выявилось неожиданное ограничение Стандартной модели. Вокруг каждой галактики астрономы наблюдают большое облако вещества, которое обнаруживает свое существование гравитационным притяжением, действующим на звезды, и тем, как оно преломляет свет. Но это огромное облако, гравитационное влияние которого мы наблюдаем, нельзя увидеть непосредственно, и мы не знаем, из чего оно состоит. Были выдвинуты многочисленные гипотезы, ни одна из которых, по-видимому, не работает. Очевидно, что там что-то есть, но мы не знаем, что именно. Сегодня это называют «темной материей». Имеются доказательства, что это нечто, не описываемое Стандартной моделью, иначе мы бы его увидели. Нечто отличное от атомов, нейтрино или фотонов…

Неудивительно, что есть многое на свете, друг читатель, что и не снилось нашим мудрецам – или нашим физикам. До недавнего времени мы даже не подозревали о существовании радиоволн и нейтрино, пронизывающих Вселенную. Стандартная модель – по-прежнему лучшее, что у нас есть для мира объектов. Ее предсказания все подтвердились, и, не считая темной материи – и гравитации, рассматриваемой в общей теории относительности как искривление пространства-времени, – Стандартная модель хорошо описывает каждый аспект воспринимаемого мира.

Альтернативные теории предлагались, но только лишь для того, чтобы оказаться экспериментально опровергнутыми. Например, неплохая теория, сформулированная в 1970-х годах и названная техническим именем SU(5), заменила беспорядочные уравнения Стандартной модели структурой поэлегантнее и гораздо более простой. Теория предсказывала, что протон может распадаться, с некоторой вероятностью, превращаясь в электроны и кварки. Чтобы пронаблюдать, как протоны распадаются, соорудили большие машины. Физики посвящали свои жизни попытке наблюдать распад протона. (Зараз вы смотрите не на один протон, поскольку его распад занимает слишком много времени. Вы берете тонны воды и окружаете ее чувствительными детекторами, чтобы зарегистрировать эффекты от распада.) Но, как это ни прискорбно, ни один протон так и не увидели распадающимся. Красивая теория SU(5), несмотря на все свое изящество, не подтвердилась.

Возможно, сейчас та же история повторяется с группой теорий, известных как «суперсимметричные», которые предсказывают существование нового класса частиц. Всю свою карьеру я слушал коллег, уверенно ожидающих неизбежного появления этих частиц. Минули дни, месяцы, годы и десятки лет – однако суперсимметричные частицы до сих пор себя не проявили. Физика – это не только история успехов.

Итак, пока мы вынуждены довольствоваться Стандартной моделью. Может, она не очень-то изящна, однако, описывая мир вокруг нас, работает прекрасно. И кто знает – возможно, при более тщательном изучении окажется, что это не модели не хватает элегантности. Что, если это мы еще не научились смотреть на нее под правильным углом, таким, под которым обнаружится ее скрытая простота?

Итак, на данный момент мы знаем о материи следующее: это горсточка типов элементарных частиц, которые непрерывно колеблются между существованием и несуществованием, мельтешат в пространстве, даже когда кажется, что оно пусто, и объединяются вместе в бесконечность, как буквы космического алфавита, рассказывая грандиозную историю галактик, неисчислимых звезд, солнечного света, гор, лесов и нив, улыбающихся молодых лиц на вечеринках и ночного неба, усыпанного звездами.

Этюд пятый Песчинки пространства

Несмотря на определенные неясности, неточности и все еще не разрешенные вопросы, физика, которую я обрисовал, обеспечивает лучшее описание мира, чем мы когда-либо имели в прошлом. Так что мы должны были бы чувствовать себя вполне удовлетворенными. Но увы.

В самой основе нашего понимания физического мира есть парадокс. XX век подарил нам две жемчужины, о которых я говорил: общую теорию относительности и квантовую механику. Из первой развились космология, астрофизика, исследование гравитационных волн, черных дыр и много чего еще. Вторая легла в основу атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, физики конденсированного состояния вещества и многого-многого другого. Две теории, такие щедрые на приложения, краеугольный камень современных технологий, изменивших нашу жизнь. И все же обе теории не могут быть верны одновременно, по крайней мере в своих современных формулировках, поскольку они противоречат друг другу.

Студента университета, посещающего лекции по общей теории относительности по утрам, а по квантовой механике по вечерам и заключившего, что его профессора или дураки, или пренебрегали общением друг с другом по меньшей мере сто лет, следует простить. Утром мир – искривленное пространство, где все непрерывно, а вечером – плоское пространство, где скачут кванты энергии.