Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

Сегодня мы знаем, что слабое взаимодействие, сколь ни редко оно встречается в процессах, проходящих в обычной окружающей нас материи, играет фундаментальную роль во Вселенной. Без вызываемых слабым взаимодействием реакций ни Солнце, ни все остальные звезды не смогли бы производить ту энергию, которую они излучают в окружающее их пространство. И тогда Вселенная оказалась бы наполненной совершенно экзотическими формами материи, а космос приобрел бы черты, совершенно не похожие на те, которые мы знаем; но никто из нас не смог бы рассказать об этом, так как любая форма жизни, напоминающая известные нам, была бы невозможна.

Прорывная идея молодого Ферми открыла путь к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий, и это спустя тридцать лет легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.

Рождение Стандартной модели

Эта история заставляет вспомнить о великих готических соборах XII века. Для создания подобных шедевров требовались гениальные архитекторы, способные их спроектировать, но также еще и тысячи каменщиков, скульпторов и камнетесов, способных воплотить в чудесные физические формы игру художественного воображения. Нечто похожее произошло и со Стандартной моделью. В ее основании находятся квантовая механика и теория относительности – две грандиозные концептуальные революции, с которых начинался ХХ век. От них произошли прочие элементы несущей инфраструктуры, такие как гениальная интуиция Энрико Ферми и работа трех других гениальных архитекторов – Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, а уж вокруг этого закрутился непрекращающийся и систематический труд многих тысяч ученых. Стандартная модель рождалась из десятков теоретических построений, сплетенных с целой чередой впечатляющих экспериментальных открытий, которые раз за разом заставляли перерисовывать всю картину. Именно так и происходило за века до этого, когда посреди работ по возведению собора вдруг выяснялось, что какие‑то решения были слишком смелыми, что вся конструкция не способна выдерживать собственного веса или побочных напряжений и что необходимо конструктивное воплощение новых решений, которым и суждено было стать стандартом при постройке следующих храмов.

Эта теория гениальна и элегантна. Хотя в ней слишком много параметров и много констант, истинный смысл которых не очень ясен, успех ее был поразительным и определялся ее мощной предсказательной способностью. Из данной теории следовало существование новых частиц, которые успешно обнаруживались, и она позволяла с колоссальной точностью вычислять новые измеримые величины, причем физики-экспериментаторы могли убеждаться в их точном соответствии с предсказаниями – в некоторых случаях до десяти значащих цифр.

В Стандартной модели вся материя строится из трех семейств кварков и трех семейств лептонов; взаимодействуя друг с другом и объединяясь в различных сочетаниях в соответствии с вполне конкретными законами, они образуют все, что мы знаем. Дюжина элементарных частиц (три пары кварков и три пары лептонов) взаимодействуют между собой, обмениваясь другими элементарными частицами, переносчиками четырех фундаментальных сил: фотон – это частица, из которой состоит свет, и она отвечает за хорошо известный электромагнетизм, в то время как глюон, ответственный за силу между разноцветными кварками, переносит сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки связанными внутри протонов и преодолевает электромагнитное отталкивание между протонами внутри ядра. Слабое взаимодействие возникает благодаря излучению и поглощению очень тяжелых частиц W– и Z-бозонов[16]. И наконец, чуть в стороне находится гравитационное взаимодействие. В нем участвуют все тела, обладающие массой или энергией, и оно возникает благодаря обмену гравитонами, переносчиками силы тяжести, которые пока еще не были обнаружены экспериментально.

У переносчиков всех взаимодействий целый спин, 1 или 2. Вместе с частицами, чей спин равен 0, они образуют группу бозонов. У кварков и лептонов, кирпичиков вещества, спин полуцелый, 1/2, и они входят в группу фермионов.

Архитравом Стандартной модели служит объединение двух взаимодействий – электромагнитного и слабого, – оказывающихся, таким образом, двумя разными проявлениями одной и той же силы, называемой электрослабым взаимодействием. Исходная идея родилась из формальной аналогии, подкрепившей интуицию, которая позволила Ферми построить свою теорию слабого взаимодействия. Уравнения, описывающие эти два взаимодействия, практически идентичны, и эта формальная идентичность не могла быть случайной. Подобное чудо в XIX веке привело к слиянию электрических и магнитных явлений в рамках единой теории электромагнетизма Фарадея, Максвелла и Лоренца. И открытие электромагнетизма оказалось способно поколебать основы понимания не только природы, но и общества во всей его сложности.