Вселенная в зеркале заднего вида

Помимо частиц-посредников, есть еще несколько видов бозонов. Например, бозон Хиггса, о котором мне еще будет что сказать в следующей главе, а также (возможно) крайне неуловимая частица под названием гравитон. Если гравитон существует, а мы в этом не уверены, поскольку у нас нет квантовой теории гравитации, он будет частицей со спином‑2. Объект со спином‑1 выглядит так же, как в момент начала вращения, после одного полного оборота, а объект со спином‑2 — после половины оборота[87]. Именно такова симметрия архитектуры спиральных галактик. Ну, примерно таких, какие появляются в финале кинофильма «Империя наносит ответный удар».

Целочисленные спины говорят нам не только о том, что та или иная частица — переносчик взаимодействия, они говорят еще и о том, как именно эта частица служит переносчиком. Частицы с нечетным спином (фотоны, глюоны и т. д.) всегда создают силы отталкивания между частицами с одинаковым зарядом. Например, у двух электронов одинаковый заряд, и они отталкиваются из-за электромагнитных сил.

Частицы-переносчики взаимодействий с четным спином, если они и в самом деле существуют, ведут себя наоборот, то есть частицы с одним и тем же зарядом будут притягиваться.

Поскольку масса в гравитации (частица-переносчик со спином‑2) — эквивалент заряда, а массы всех частиц или положительные, или равны нулю, это просто красивый способ показать, что гравитация притягивает. Но это-то мы и так знаем.

Однако бозоны — это только полдела. А что можно сказать о частицах, из которых состоите лично вы?

Дирак, антивещество и фермионы

Еще в 1905 году Эйнштейн показал, что вещество можно превратить в энергию и наоборот, однако он не знал точно, как именно происходит эта алхимия. В 1928 году Поль Дирак попытался подчистить уравнения квантовой механики в релятивистской вселенной и в процессе сделал фантастическое открытие: частицы — это не нечто незыблемое. На высоких скоростях электроны способны расщепляться и размножаться на дополнительные частицы и античастицы, причем, как и все в относительности, это полностью зависит от точки зрения.

Поскольку измерить полностью все параметры одного электрона невозможно, Дирак обнаружил, что недостаточно просто описать, где электрон находится. На месте электрона он обнаружил целую кучу взаимосвязанных квантовых волн, общим числом четыре. После нескольких неудачных попыток эти варианты решений были истолкованы как электрон со спином вверх, электрон со спином вниз, позитрон со спином вверх и позитрон со спином вниз. Дирак сделал вывод, что какой-то один получить невозможно — только все четыре сразу. А точнее, чтобы правильно понять, что такое электрон, нужно смириться с мыслью, что у него много разных сторон и личин. Ну, примерно как у Мистик из «Людей Икс». Или у Кришны — в зависимости от вашего культурного уровня.

Эта простая суперпозиция говорит нам больше, чем можно было бы ожидать. Напомню на всякий случай, что слово «квантовый» в квантовой механике означает, что всякие штуки вроде энергии, заряда и момента импульса уже не те, что прежде, нравится вам это или нет. Если электрон переходит от одного спина к другому, например, эти состояния всегда различаются ровно на единицу и никак иначе. Есть только один симметричный способ приписать спину значения «вверх» и «вниз» так, чтобы они различались ровно на единицу: сделать их +½ для спина вверх и — ½ для спина вниз.

Электроны обладают спином ‑½, но не они одни. Уравнение Дирака описывает целый класс частиц под названием фермионы. В них входят кварки, позитроны и нейтрино — в сущности, все кирпичики, из которых строится вещество и антивещество.

Частицы со спином ‑½ даже страннее, чем кажутся на первый взгляд. Например, частицы со спином‑1 выглядят по-прежнему, если повернуть их 1 раз, а частицы со спином‑2 выглядят по-прежнему, если повернуть их на пол-оборота, но если следовать той же логике с частицами со спином-½, электрон нужно повернуть дважды, прежде чем он будет выглядеть так же, как в момент начала вращения.

Я понимаю, звучит это дико. Ведь если я говорю «поверните электрон», я на самом деле имею в виду, что мы должны повернуть всю вселенную на один полный оборот, а поскольку по определению полный оборот приведет вселенную именно в ту точку, откуда мы начали, в вашем классическом арсенале, очевидно, нет ничего, что помогло бы с этим справиться.

Ничего страшного. Мы же имеем дело не с классической вселенной. В последней главе мы убедились, что для того, чтобы все «выглядело по-прежнему», с волновой функцией вселенной можно поступить двумя способами. Один, как вы, наверное, и сами понимаете, — умножить на 1. Другой, неожиданный, — умножить на –1. Полный оборот фермиона даст вам –1, а второй оборот — еще раз –1. Перемножьте одно на другое и даже на квантовом уровне все вернется туда, откуда началось. Подобный набор вариантов мы видели в конце предыдущей главы.

Вернер Гейзенберг выразился об этом довольно-таки поэтично: