Неоткрытые миры

— Нет, добавь сюда ещё и бозон Хиггса, тяжёлую частицу, которая играет важную роль в образовании частиц, в частности отвечает за появление массы у бозонов. Хиггс придумал поле, которое действует на бозоны, как вода на плавающие на ней пушинки одуванчика: без воды невесомые пушинки беззаботно летят в любом направлении, а при взаимодействии с водой становятся медленными, инертными. А бозон Хиггса — это волна на поверхности поля Хиггса. Его масса была вычислена из сложных уравнений, и именно такая частица была найдена в 2012 году при экспериментах на Большом Адронном Коллайдере. Это стало завершающим штрихом в подтверждении Стандартной теории. Она доказала, что в мире существует Квантовая Лестница, которая описывает три уровня энергии: атомный, ядерный и кварковый.

— 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.