Вселенная
Шрифт:
Объеденье. Мне нравится изысканная кухня, и, хотя это блюдо было другого сорта, оно пришлось кстати. Прекрасные воспоминания, простые вкусы и запахи, простое удовольствие стряпни для себя. Это жизнь — тонкая плёнка ощутимого, реального восприятия мира.
Я тоскую по бабушке, но не стремлюсь думать, что где-то она живёт до сих пор. Она живёт в воспоминаниях, но когда-нибудь и их не останется. Жизнь изменчивая и преходящая — и это не какая-то её часть, которую мы с неохотой вынуждены принимать, а самая суть, позволяющая нам рассчитывать, что будет дальше. Я бережно отношусь к моим воспоминаниям, надеждам на будущее, ценю жизнь большого мира и ту жизнь, которую провожу сам вместе с женой, — жену
У каждого своя жизнь, некоторым выпадут тяготы, о которых другие никогда не узнают. Но все мы живём в одной Вселенной, подчиняемся одним и тем же законам природы, решаем общую фундаментальную задачу — ищем смысл и значение для себя самих и для тех, кто оказался рядом с нами в краткий период, который нам предстоит прожить в этом мире.
Три миллиарда сердцебиений. Часы идут.
Приложение. Уравнение, которое касается каждого из нас
Весь мир, который мы воспринимаем на уровне повседневного опыта, основан на Базовой теории: это квантовая теория поля, описывающая динамику и взаимодействия определённого множества материальных частиц (фермионов) и силовых частиц (бозонов). Базовая теория включает в себя как стандартную модель физики частиц, так и эйнштейновскую общую теорию относительности (в приближении слабого гравитационного поля). Хотя при чтении этой книги данный материал не требуется, в приложении мы очень кратко рассмотрим некоторую специфику упомянутых полей и взаимодействий в рамках Базовой теории. Обсуждение будет сжатым (почти телеграфный стиль), в нём вы встретите множество мудрёных словечек, терминов и странных идей. Считайте приложение дополнительным материалом, который можно либо пропустить, либо прочитать на закуску, раз уж вы добрались до самого конца.
Краеугольным камнем нашей дискуссии будет единственная формула — фейнмановский интеграл по траекториям, описывающий Базовую теорию. В этой формуле содержится всё, что нам известно о квантовой динамике этой модели: какова вероятность того, что при наличии определённой конфигурации полей эти поля впоследствии примут какую-то другую конфигурацию? Если узнать это, то можно рассчитать любые интересующие нас явления, относящиеся к Базовой теории. Такое уравнение заслуживает места на футболке.
* * *
Существует два вида квантовых полей: фермионные и бозонные. Фермионы — это материальные частицы; они занимают место в пространстве, поэтому пол под ногами или стул, на котором вы сидите, твёрдые. Бозоны — это силовые частицы, несущие энергию; они могут нагромождаться друг на друга, порождая макроскопические силовые поля, например гравитационное и электромагнитное. Полный список частиц, согласно Базовой теории, выглядит следующим образом.
Фермионы
1) электрон, мюон, тау (электрический заряд –1);
2) электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино (нейтральные);
3) u– кварк, очарованный кварк, топ-кварк (заряд +2/3);
4) d– кварк, странный кварк, прелестный кварк (заряд –1/3).
Бозоны
1) гравитон (гравитация; искривление пространства–времени);
2) фотон (электромагнетизм);
3) восемь глюонов (сильное ядерное взаимодействие);
4) W– и Z– бозоны (слабое ядерное взаимодействие);
5) бозон Хиггса.
В квантовой теории поля требуется не слишком много информации, чтобы описать свойства определённого поля или — что равноценно — частицы, с которой оно связано. У каждой частицы имеются масса и спин. Можно уподобить элементарные частицы маленьким волчкам с той оговоркой, что эти частицы (представляющие собой миниатюрные вибрации
Взаимодействие частиц друг с другом зависит от их заряда. Слово «заряд» без уточнений — это краткое обозначение электрического заряда, но другие взаимодействия — гравитация и ядерные силы — также характеризуются зарядами. Заряд частицы позволяет понять, как она взаимодействует с полем, которое связано с соответствующей силой. Так, электроны, имеющие электрический заряд –1, напрямую взаимодействуют с фотонами, которые переносят электромагнитное взаимодействие; нейтрино, чей заряд равен нулю, вообще не вступают в непосредственные взаимодействия с фотонами (но могут взаимодействовать косвенно, поскольку нейтрино вступают в контакт с электронами, а те — с фотонами). Фотоны сами по себе нейтральны, поэтому они не взаимодействуют друг с другом.
Гравитационный «заряд» — это просто энергия частицы, равная произведению массы на скорость света в квадрате, когда частица находится в покое. У каждой отдельной частицы есть гравитационный заряд; Эйнштейн учил, что гравитация универсальна. Все известные нам фермионы проявляют слабое ядерное взаимодействие, то есть они взаимодействуют с W– и Z– бозонами. Половина известных нам фермионов взаимодействует с глюонами, проявляющими сильное ядерное взаимодействие; эти фермионы называются кварками; остальные фермионы такого взаимодействия не проявляют, и мы называем их лептонами. Существуют u– кварки с (электрическим) зарядом +2/3 и d– кварки с зарядом –1/3. Сильное взаимодействие — настолько сильное, что кварки и глюоны оказываются упакованы внутри элементарных частиц (например, протонов и нейтронов), поэтому мы никогда не наблюдаем их непосредственно. Заряженные лептоны — это электрон и аналогичные ему более тяжёлые частицы мюон и тау. С каждой из этих частиц связано нейтрино отдельного вида, названные электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.
Ещё существуют поле Хиггса и связанная с ним частица — бозон Хиггса. Гипотеза о существовании бозона Хиггса была выдвинута в 1960-е годы, а открыть эту частицу удалось на Большом адронном коллайдере в Женеве в 2012 году. Хотя это и бозон, обычно мы не говорим о «силе», связанной с полем Хиггса, — могли бы, но бозон Хиггса столь массивен, что связанная с ним сила исключительно слабая и короткодействующая. Бозон Хиггса замечателен тем, что его поле обладает ненулевым значением даже в вакууме. Все частицы, из которых вы состоите, постоянно купаются в поле Хиггса, и это отражается на их свойствах. Важнее всего, что данное поле наделяет массой кварки и заряженные лептоны, а также W– и Z– бозоны. Открытие бозона Хиггса было последним штрихом в разработке Базовой теории.
* * *
Представляю, о чём вы думаете: «Да, все эти поля красочные и очаровательные. Но мы хотим наконец увидеть уравнение».
Извольте.
Суть Базовой теории — законов физики, на которых основана повседневная жизнь, — выражена в одном уравнении. Это уравнение описывает квантовую амплитуду для перехода от одной заданной конфигурации поля к другой, выраженную в виде суммы всех траекторий, которые потенциально могут соединять эти конфигурации