Неоткрытые миры

– Что это за лестница? – полюбопытствовала Галатея.

– Вы знаете про квантовые уровни в атоме – они дают разный цвет фотонам, вылетающим из атома, и связаны с перестройкой его электронных оболочек.

Внутри ядра атома тоже есть своя структура квантовых уровней, которые экспериментаторы изучают по дискретной энергии вылетающих из ядра электронов при ядерных превращениях.

Оказалось, что в таких элементарных частицах, как протоны и нейтроны, тоже существуют квантовые уровни, которые видны по энергиям вылетающих оттуда мезонов.

– Ух ты, действительно, лестница, идущая внутрь вещества, – поняла Галатея.

– Давно было известно, что химические связи между атомами и молекулами оказываются остаточным явлением от электромагнитного взаимодействия электронов и атомного ядра. Сейчас стало понятно, что ядерные силы между нуклонами ядра, связанные с обменом пимезонами, являются слабым отголоском могучих сил, которые удерживают кварки внутри каждого нуклона и не дают им вылетать наружу.

– Ой, какая сложная сказка получается! – пожаловалась Галатея. – А ведь обещали историю про самые простые частицы нашего мира.

– Да, но никто не обещал, что это будет простая история. И в ней ещё масса нерешённых проблем. Насколько полна Стандартная теория? Да, она не включает в себя гравитационное взаимодействие. Но недостаток ли это? Есть ли у гравитационного взаимодействия свой квант – гравитон? Неизвестно. Многие уверены, что есть. Так же был уверен и Менделеев, который оставлял в своей таблице место для элемента эфира – среды, в которой распространяется свет. Как потом выяснилось, никакого эфира нет, а электромагнитные волны прекрасно распространяются в вакууме. Есть и другое мнение – что гравитационное поле – особенное. Оно не квантовое, но создается коллективным действием обычных квантовых полей.

Есть ли ещё более фундаментальная теория всего, которая объединяет и элементарные частицы, и гравитационное поле и делает это на более простой основе, чем Стандартная теория?

Когда было завершено построение Стандартной модели, объяснившей все известные элементарные частицы и правильно предсказавшей серию новых частичек и бозон Хиггса, то огромное количество теоретиков в области элементарных частиц оказалось на перепутье: что делать дальше? Часть квантовых теоретиков прорвалась вслед за Гусом в космологию, породив там обширное поле теории инфляции, где растёт множество экзотических цветов. Значительная часть квантовых физиков решила остаться в долине элементарных частиц и строить новую теорию элементарных частиц и квантовых полей, которая бы включала и гравитацию.

Если обычная квантовая механика рассматривает элементарную частицу как точечный объект с некоторыми свойствами, то теория струн рассматривает такие частицы как очень маленькие струны, которые могут колебаться, возбуждаться, объединяться и т. д. Это позволяет избежать проблемы перенормировки, свойственной точечным квантовым объектам…

– Что это за проблема пере…сортировки? – полюбопытствовала Галатея.

– Если представить электрон заряженным точечным объектом и попробовать вычислить энергию электрического поля, которое его окружает, то мы получим бесконечность – ведь напряжённость электрического поля обратно пропорциональна радиусу и стремится в бесконечность при уменьшении радиуса до нуля. Теоретикам удалось с помощью хитрых способов вычитания бесконечности из бесконечности получить правильные результаты, которые совпадают с экспериментом. Это хитрое вычитание называется перенормировкой, но физический смысл этой процедуры непонятен, как и непонятно, как быть с бесконечной энергией электрона? Видимо, где-то устремление радиуса электрона к нулю нужно останавливать, но где? Ричард Фейнман занимался этой проблемой.

Дух Фейнмана вступил в разговор:

– Швингер, Томонага и я независимо друг от друга придумали уловку, как проводить конкретные расчёты в случаях, когда получаются бесконечности. Мы получили за это Нобелевскую премию. Наконец-то люди смогли вычислять при помощи квантовой электродинамики!

– Что за уловка? – поинтересовался Андрей.

– Эта уловка имеет специальное название – «перенормировка». Но каким бы умным не было это слово, я бы назвал её дурацким приёмом! Необходимость прибегнуть к такому фокусу-покусу не позволила нам доказать математическую согласованность квантовой электродинамики. Я подозреваю, что перенормировка математически незаконна. Будущим физикам ещё предстоит разобраться в этой интригующей проблеме. Природа преподносит нам такие чудесные загадки! Почему она повторяет электрон частицами, массы которых в 206 и 3640 раз больше? Тайны, вроде этих повторяющихся циклов свойств частиц, делают работу физика-теоретика очень интересной. Я считаю совершенно неудовлетворительным, что не существует теории, адекватно объясняющей массы наблюдаемых частиц. Мы пользуемся этими числами во всех наших теориях, но не понимаем их: что они собой представляют или откуда они берутся. Я считаю, что с фундаментальной точки зрения это очень интересная и важная проблема.

Дзинтара сказала:

– Спасибо, мистер Фейнман, нам пора двигаться дальше.

Дух Фейнмана буркнул:

– Я профессор, а это означает, что я не способен вовремя остановиться.

Дзинтара улыбнулась.

– Теория струн, обойдя проблему перенормировки, породила другие теоретические проблемы, например многомерность мира: теоретически приемлемую теорию струн удаётся сформулировать, только если принять, что наше пространство имеет десять или двадцать шесть размерностей, большая часть из которых свернута в компактное, практически незаметное для нас состояние. Здесь возникает такое разнообразие решений, что математик Питер Войт считает, будто теория струн уже не является научной теорией. Её можно назвать математической моделью, которая не отражает физическую реальность и потому не может претендовать на научное описание этой реальности.

Главная проблема теории струн – её оторванность от эксперимента. Фактов, которые бы не могла объяснить Стандартная теория и которые бы требовали объяснения в рамках более общей теории, чрезвычайно мало, или, как полагают многие, их вообще нет. Одна из проблем Стандартной теории – она не предсказывает массу нейтрино, которая у них, видимо, есть. Например, часть теоретиков считает, что Стандартная теория неполна, потому что не включает частицы, образовавшие тёмную материю космоса. Но совсем не обязательно, что тёмная материя состоит из элементарных частиц – другие исследователи полагают, что она состоит из таких макрообъектов, как чёрные дыры.

Отсутствие связи с реальностью породило своеобразные социологические проблемы в теории струн. В условиях слабости экспериментальной базы теоретиков стали судить не по созданию теории, которая бы подтверждалась наблюдениями, а по количеству статей и их цитируемости. А в оценке самих теорий стали участвовать такие факторы, как мода, престиж и вероятность карьерного роста.

В первой трети XX века теоретиков в мире было гораздо меньше, чем сейчас, но они совершили научную революцию, создав атомную теорию и ядерную физику, специальную теорию относительности и современную теорию гравитации, квантовую механику и космологию. Современных теоретиков раз в сто больше, но список их научных достижений, полученных за аналогичный период конца XX и начала XXI века, гораздо скромнее – имеются в виду реальные достижения, а не количество публикуемых статей и индексы цитируемости. Ли Смолин, известный теоретик, пишет в своей книге «Проблемы с физикой», вышедшей в 2006 году: «Почему, несмотря на такие усилия тысяч самых талантливых и хорошо подготовленных учёных, так мало сделано в фундаментальной физике за последние двадцать пять лет?»

Математик Питер Войт, выпускник Гарварда, который получил докторскую степень в Принстонском университете и ныне преподаёт в Колумбийском, написал книгу «Даже не неправильно» с критическим взглядом на господствующую в фундаментальной физике теорию струн.

– Даже не неправильно? – удивилась Галатея замысловатой фразе.