Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

В философии Аристотеля каждый элемент характеризуется двумя свойствами: огонь сухой и теплый, вода влажная и холодная, земля сухая и холодная, а воздух влажный и теплый. Изменения происходят, поскольку (1) элементы стремятся к своим «естественным местам» – воздух поднимается вверх, камни падают вниз и так далее – и (2) могут менять на противоположное по одному своему свойству зараз, если тому нет препятствий: так, например, сухой и теплый огонь может превратиться в сухую и холодную землю, а влажная и холодная вода – во влажный и теплый воздух.

Утверждение, что камни падают вниз, ибо такова их естественная склонность, не очень-то много объясняет, но то была, несомненно, простая теория, которую можно было проиллюстрировать удовлетворительно симметричной диаграммой (рис. 11).

Рис. 11. Схематическое изображение четырех элементов Аристотеля и их связей – теории, датирующейся IV веком до нашей эры. Схожие классификации сохранились в письменных источниках восточных цивилизаций примерно того же времени.

Впрочем, даже в IV веке до нашей эры стало очевидно, что теория слишком уж проста. Алхимики начали выделять все новые и новые вещества, и теория со всего лишь четырьмя элементами не могла объяснить такого разнообразия. Однако только в XVIII веке химики поняли, что все вещества – комбинации относительно небольшого числа «элементов» (в то время думали, что их меньше сотни), которые дальше уже разложить нельзя. Наступила эра редукционизма.

А тем временем Ньютон понял, что падение камней и движение планет роднит общая причина: тяготение. Джоуль показал, что теплота – это вид энергии, как обнаружилось позднее – происходящий из движения крохотных частиц под названием «атомы». Для каждого химического элемента характерен свой тип атома. Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм. И всякий раз, когда прежде разрозненные эффекты получали объяснение в рамках общей теории, новые открытия и применения не заставляли себя долго ждать: приливы вызываются Луной, энергию можно использовать для охлаждения, колебательные контуры служат источниками электромагнитного излучения.

В конце XIX века физики заметили, что атомы способны испускать и поглощать только свет с определенными длинами волн, но объяснения наблюдавшимся регулярностям ученые дать не могли. Чтобы с этим разобраться, они разработали квантовую механику, которая объяснила не только атомные спектры, но и большинство свойств химических элементов. К 1930-м годам физики выяснили, что все атомы имеют ядро, состоящее из меньших частиц – нейтронов и протонов – и окруженное электронами. На стезе редукционизма это стало еще одной вехой.

Следующим шагом в истории объединения Эйнштейн примирил пространство и время и получил специальную теорию относительности, после чего свел воедино гравитацию и специальную теорию относительности, создав общую теорию относительности. В итоге возникла необходимость избавиться от противоречий между квантовой механикой и специальной теорией относительности, что привело к благополучному рождению квантовой электродинамики.

Полагаю, примерно на этом этапе наши теории были самыми простыми. Но уже тогда физики знали о радиоактивном распаде – явлении, которое даже квантовая электродинамика объяснить не могла. Ответственность за распады возложили на новое, слабое взаимодействие, добавив его в теорию. Затем коллайдеры достигли энергий, достаточно высоких для того, чтобы нащупать сильное ядерное взаимодействие, – и на физиков обрушился «зоопарк» элементарных частиц (см. вторую главу). Это временное приращение сложности быстро пресекли теория сильного ядерного взаимодействия и объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое, поскольку выяснилось, что большинство из той лавины частиц составные – собраны из всего лишь двадцати четырех частиц, которые уже нельзя разложить на части.

Эти двадцать четыре частицы (с бозоном Хиггса, добавившимся позже, их стало в итоге двадцать пять) остаются элементарными и сегодня, и Стандартная модель плюс общая теория относительности до сих пор объясняют все наблюдения. Мы несколько оживили их темной материей и темной энергией, но, поскольку у нас нет никаких данных о микроскопической структуре этих темных лошадок, в настоящее время их трудно увязать всех вместе.

Объединение, однако, шло столь успешно, что физики считали логичным следующим шагом появление теории Великого объединения.

* * *

Мы классифицируем симметрии своих теорий с помощью того, что математики зовут «группами». Группа содержит все преобразования, которые не изменят теорию, при условии что соблюдается симметрия. Группа симметрии круга, например, состоит из всех вращений вокруг его центра и обозначается как U(1).

Пока в нашей дискуссии о симметрии мы обсудили лишь симметрии уравнений, законов природы. Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями. И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией.