Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Однако именно поиск решения, как же согласовать два первых основных закона физики, целый век занимал умы многих ученых. Некоторые посвящали всю жизнь тому, чтобы попытаться свести квантовую механику и общую теорию относительности к одной всеобъемлющей теории квантового притяжения. Этому единению двух важнейших идей в физике ХХ века и посвящена следующая глава.

Глава 7. Унификация

Неуемное желание физиков-теоретиков достичь теоретической унификации, то есть объединить законы природы и свести их в единую стройную математическую теорию всего, часто кажется не более чем навязчивым стремлением к простоте и компактности, попыткой «упаковать» всю сложность природных явлений, используя минимальный набор основных принципов. На самом деле все не так просто. Чем больше мы узнавали о природных процессах, чем больше связей мы обнаруживали между на первый взгляд не связанными силами и частицами, тем меньше правил и принципов нам требовалось для объяснения все более широкого круга явлений. Унификация – это не какая-то цель, которую мы сознательно перед собой поставили; она сформировалась независимо от нас в результате все более глубокого понимания физического мира. Однако успех в этом деле, безусловно, связан с определенной эстетической привлекательностью, которая заставляет нас двигаться дальше в этом направлении. И тут мы добились очень многого.

С математической точки зрения стремление унифицировать законы физики было часто связано с поиском абстрактной симметрии, неких моделей, за которыми скрываются фундаментальные истины, связанные с природными процессами. В главе 2 вы уже видели доказательства принципа центральной симметрии, который связан с законами сохранения энергии и импульса. Боюсь, однако, что для истинного понимания значения и роли, которую сыграли за последний век различные виды симметрии в теоретической физике, нам не хватит объема этой небольшой книги.

Погоня за унифицированной теорией иногда трактуется как попытка собрать все силы природы под одним зонтиком и предположить, что существует всего одна «суперсила» и что различные виды взаимодействия в природе (электромагнетизм, гравитация, а также две силы ближнего действия внутри атомного ядра) – это различные аспекты действия этой единой силы. Пока что физикам неплохо удается развивать этот проект унификации. Я уже писал о том, как Ньютон осознал, что сила, заставляющая яблоко упасть с дерева, – та же самая сила притяжения, которая управляет движением небесных тел. В его время, в отличие от теперешнего, это было совсем не очевидно. До Ньютона считалось, что предметы падают на землю потому, что все в мире имеет «тенденцию» перемещаться на свое «естественное» место – к центру мира и что движение Солнца, Луны, планет и звезд подчиняется совершенно различным законам. Ньютоновский закон универсальной гравитации сводит все эти явления воедино, утверждая, что все массы притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной квадрату расстояния между ними, независимо от того, идет ли речь о яблоке или о Луне; они притягиваются к Земле с силой, определяемой одной и той же формулой.

Следующий значимый шаг по пути унификации был сделан почти через 200 лет после Ньютона, когда Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электричество и магнетизм являются, по сути, двумя сторонами одной и той же электромагнитной силы. Например, в основе электростатического притяжения между кусочком бумаги и надувным шариком, который вы потерли о свою одежду, лежит та же электромагнитная сила, которая притягивает скрепку к магниту. Почти все явления, которые мы наблюдаем в природе, в конечном счете обязаны своим появлением одной из двух сил – силе притяжения или электромагнитной. Поэтому было совершенно естественно, чтобы мы пошли дальше и для обеих сил создали единую теорию.

Мы уже видели, что гравитационное поле – не более чем форма самого пространства-времени, причем само это открытие также основано на идее унификации. Объединив пространство и время, Эйнштейн открыл одну непреложную истину: наблюдатели (сколь бы быстро они ни двигались относительно друг друга) могут одинаково оценивать интервал между двумя событиями только в условиях четырехмерного пространства-времени. Через десять лет его общая теория относительности дала миру новую, более точную картину того, как масса и энергия приводят к искривлению пространства-времени. Однако следующие 40 лет Эйнштейн безуспешно пытался разработать унифицированную теорию, которая объединила бы теорию гравитации с максвелловской теорией электромагнетизма.

Теперь мы знаем, что, кроме гравитации и электромагнетизма, существует еще две силы, сильная и слабая силы ядерного взаимодействия, которые действуют только на микроскопических расстояниях и являются не менее важными фундаментальными законами природы. Именно объединение электромагнитной силы с одной из этих ядерных сил будет следующим шагом в развитии физики в грядущем веке.