Объясняя мир. Истоки современной науки

Квантовая механика не только решила проблему стабильности атомов и природы спектральных линий, она также ввела химию в общий строй физики. Если знать электрические силы, действующие между электронами и ядрами атомов, то можно применить уравнение Шрёдингера к молекулам точно так же, как к атомам, и вычислить энергии их различных состояний. Таким образом, стало возможно определить, какие молекулы стабильны и какие химические реакции в принципе возможны с точки зрения энергии. В 1929 г. Дирак с ликованием заявлял: «Основные физические законы, необходимые для математических теорий большей части физики и всей химии, теперь полностью известны…»{288}

Это не означает, что химики скинули свои задачи на физиков и отправились на отдых. Как хорошо понимал Дирак, решение уравнения Шрёдингера для всех молекул, кроме самых маленьких, слишком сложно, поэтому особый инструментарий и специальные правила, используемые химиками, остаются совершенно необходимыми. Но начиная с 1920-х гг. пришло понимание того, что основные принципы химии, такие как правила о том, что металлы формируют стабильные соединения с галогенами, например, с хлором, таковы, какие они есть, из-за квантовой механики электронов и ядер атомов, связанных с помощью электромагнитных сил.

Несмотря на свою великую разъясняющую силу, это основание само по себе было далеко от того, чтобы стать унифицированным. Существовали частицы – электроны, а также протоны, нейтроны, из которых состоят ядра атомов. И существовали поля: электромагнитное поле и еще какие-то тогда неизвестные поля малого радиуса действия, которые предположительно отвечали за сильные взаимодействия, держащие части атомного ядра вместе, и слабые взаимодействия, которые превращают протоны в нейтроны и нейтроны в протоны в процессе радиоактивности. Это разделение между частицами и полями исчезло в 1930-е гг., после введения квантовой теории поля. Точно так же как существует электромагнитное поле, чья энергия и импульс объединяются в частицах, известных как фотоны, существует и поле электронов, чья энергия и импульс объединяются в электронах; также имеются и поля для других типов элементарных частиц.

Это было далеко не очевидно. Мы можем непосредственно наблюдать влияние гравитационного или электромагнитного поля, потому что кванты этих полей имеют нулевую массу и являются частицами того типа (известными как бозоны), которые в больших количествах могут иметь одно и то же состояние. Эти особенности позволяют огромному количеству фотонов накапливаться, чтобы сформировать то, что мы наблюдаем как электрические и магнитные поля, которые, как кажется, подчиняются законам классической (то есть не квантовой) физики. Электроны, напротив, имеют массу и являются частицами другого типа (известными как фермионы), в котором две одинаковые частицы не могут иметь одно и то же состояние – таким образом, поля электронов невозможно обнаружить при макроскопических наблюдениях.

В конце 1940-х гг. квантовая электродинамика, квантовая теория поля фотонов, электронов и антиэлектронов достигли потрясающих успехов – была вычислена сила магнитного поля электрона, причем вычисления совпадали с наблюдениями с точностью многих знаков после запятой{289}. Вслед за этим достижением было вполне естественно попытаться развить квантовую теорию поля, которая сосредоточила бы в себе не только фотоны, электроны и антиэлектроны, но и другие частицы, открытые в космических лучах и ускорителях, а также слабые и сильные силы, воздействующие на них.

Теперь у нас есть такая квантовая теория поля, известная как Стандартная модель. Стандартная модель – это расширенная версия квантовой электродинамики. Наряду с полем электронов существуют поля нейтрино, квантами которых являются фермионы – такие же частицы, как электроны, но с нулевым электрическим зарядом и почти с нулевой массой. Существует пара кварковых полей, кванты которых являются составляющими протонов и нейтронов, которые образуют атомные ядра. По причинам, которых никто не понимает, этот набор повторяется еще раз, с более тяжелыми кварками и более тяжелыми частицами, напоминающими электрон и их партнеров-нейтрино. Электромагнитное поле вновь появляется в унифицированном электрослабом взаимодействии наряду с другими полями, отвечающими за слабое ядерное взаимодействие, которое позволяет протонам и нейтронам превращаться друг в друга в процессах радиоактивного распада. Кванты этих полей – тяжелые бозоны. Ими могут быть электрически заряженные W+ и W– или электрически нейтральный Z0. Также существует восемь похожих с точки зрения математики «глюоновых» полей, ответственных за сильные ядерные взаимодействия, которые удерживают кварки вместе внутри протонов и нейтронов. В 2012 г. был открыт последний недостающий элемент Стандартной модели – тяжелый электрически нейтральный бозон, который был предсказан в рамках электрослабой части Стандартной модели.