КЭД соответствует экспериментальным измерениям с точностью до одной стомиллионной. Но не думайте, что это просто удачное описание того, как электрически заряженные частицы чувствуют присутствие друг друга, обмениваясь фотонами. Эта теория природы взаимодействия света и материи является наиболее фундаментальной и важной во всей науке. Все механические, электрические и химические законы и феномены основываются именно на ней. Кроме гравитации и сил, действующих внутри атомного ядра, все природные процессы в итоге объясняются КЭД: как атомы водорода и кислорода объединяются в молекулу воды, какова природа солнечного света, как изображение этой страницы появляется на экране ноутбука, пока я печатаю текст, и как электрические сигналы моего мозга преобразуются в механические рефлексы, контролирующие движения моих пальцев, нажимающих на кнопки клавиатуры.
Мы видим, что КЭД лежит в основе всей химии (а следовательно, и биологии), ведь на фундаментальном уровне она сводится к тому, как атомы взаимодействуют через электроны, а это происходит благодаря электромагнитной силе, представляющей собой не что иное, как обмен фотонами.
Некоторым физикам, включая и самого Дирака, не понравилось, как фокус с перенормировкой позволил избавиться от бесконечностей. В математическом отношении казалось, что неугодные части теории просто смели под ковер. Так что, хотя итоговая теория и оказалась очень точной, пуристам вроде Дирака всегда казалось, что необходимости в перенормировке вообще не должно возникать, и они не прекращали поиски чего-то более фундаментального.
Последние полвека основная цель исследователей фундаментальной физики была гораздо более масштабной. Несмотря на свой успех, КЭД объясняет лишь одну из четырех сил природы. Возможно ли описать остальные три силы (гравитацию и два ядерных взаимодействия) с помощью квантовой теории поля – то есть используя идею об обмене квантовыми частицами? Более того, существует ли единая квантовая теория поля, которая справилась бы со всем разом?
Калибровочные теории и симметрии
Используя в обычной жизни слово «симметричный», мы, как правило, имеем в виду довольно специфическую вещь: что объект или силуэт выглядит точно так же, как его зеркальное отражение, или при осмотре под разными углами. Но в математике идея симметрии имеет гораздо более важное значение. Именно она помогла физикам в стремлении объединить силы в квантовую теорию поля.
В более общем смысле симметрия проявляется, когда какое-то свойство остается неизменным при изменении другой величины. Сфера выглядит одинаково под любым углом, а разница в возрасте между двумя людьми не изменяется с течением времени. Оба этих примера представляют собой различные формы симметрии. Физики говорят о «глобальной» симметрии, когда определенные законы физики остаются неизменными после применения повсюду определенных изменений, или «трансформаций». Некоторые физические теории характеризуются даже более изящными свойствами. К примеру, уравнения Максвелла, составляющие классическую теорию электромагнетизма, остаются неизменными, даже при «локальных» изменениях (когда в различных местах изменения различаются). Это связано с тем, что электрическое и магнитное поля в некотором роде эквивалентны друг другу.
Чтобы увидеть это, давайте представим потенциальную электрическую энергию, ощущаемую электроном, в качестве холмистой местности, где долины символизируют притяжение, так как электрон будет скатываться в них, а холмы – отталкивание, так как, если поместить электрон на вершину одного из них, он тотчас скатится вниз. Если изменить ландшафт в одном месте, скажем превратив долину в холм, то калибровочная симметрия велит электрону вести себя точно так же, как он вел бы себя до изменений, то есть подкатиться к холму. Но для этого электрону необходимо компенсирующее изменение потенциальной магнитной энергии. Теорию электромагнетизма называют калибровочной теорией с локальной симметрией.
Оказывается, КЭД тоже обладает этим свойством. На самом деле было открыто, что квантовая теория поля, описывающая любую из четырех сил природы, должна обладать такой калибровочной симметрией. Это дало физикам надежду, что силы, возможно, каким-то образом связаны друг с другом.
Понимаю, все это кажется довольно сложным, но я упомянул об этом не без причины. Важна здесь идея «нарушения» симметрии. Чистый лист бумаги под некоторыми углами симметричен: он одинаково выглядит с обеих сторон и вверх ногами. Но как только вы начинаете на нем писать, симметрия пропадает, или нарушается.
В течение 1960-х годов физики использовали аргумент симметрии, чтобы расширить КЭД и включить в нее, помимо электромагнитной силы, слабое ядерное взаимодействие, которое отвечает за ядерный бета-распад. Было обнаружено, что при определенных условиях слабое ядерное взаимодействие тоже можно представить в форме обмена виртуальными частицами вроде фотонов. А если отдельные симметрии и нарушались, можно было снова прибегнуть к старому фокусу с перенормировкой, чтобы квантовая теория поля для слабого взаимодействия имела смысл. К концу 1960-х годов Стивен Вайнберг, Абдус Салам и Шелдон Глэшоу разработали расширенную теорию поля, которая объединила электромагнитную силу и слабое ядерное взаимодействие. Эта теория получила название «теории электрослабого взаимодействия».
Они объяснили, что при температуре выше миллиона миллиардов градусов, какая должна была наблюдаться на заре существования Вселенной, электромагнитная сила и слабое взаимодействие стали бы одной и той же силой. Но по мере остывания и расширения Вселенной определенная симметрия оказалась нарушена, из-за чего возникли две очень разные силы. Сегодня мы считаем, что слабое взаимодействие возникает в результате обмена частицами, обозначаемыми буквами «W» и «Z». Если точнее, они называются «слабыми векторными бозонами», но называть их W – и Z-бозонами гораздо проще.
Цветная сила
Как только было обнаружено, что идея калибровочной симметрии применима к квантовым теориям поля, прогресс в понимании таким образом сильного ядерного взаимодействия не заставил себя ждать. Само собой, Юкава проложил дорожку в этом направлении многими годами ранее, когда предложил свою теорию пиона – частицы, которую можно представить предметом обмена между нуклонами внутри ядра. Но как только было открыто, что нуклоны сами состоят из кварков, ученые поняли, что сила обмена тоже должна действовать на более глубоком уровне. Разработанная в итоге теория поля сильного ядерного взаимодействия стала называться «квантовой хромодинамикой», или КХД.
Задумайтесь, что на самом деле представляет собой электрический заряд. На фундаментальном уровне нам не остается ничего иного, кроме как сказать, что это свойство определенных элементарных частиц, для которого характерны два типа, называемые положительным и отрицательным. Частицы с противоположными типами заряда притягиваются друг к другу, а одинаково заряженные частицы отталкиваются. В принципе, мы могли бы назвать два заряда сладким и кислым. Частица со сладким зарядом в таком случае притягивалась бы к частице с кислым зарядом. В общем, идею вы поняли: положительность или отрицательность электрического заряда представляет собой лишь выдуманное понятие.
Для свойства подверженных сильному ядерному взаимодействию частиц тоже нужно было подобрать подходящее название, и поэтому их наделили «цветным» зарядом. Чтобы объяснить модель кварков, а именно наличие в каждом нуклоне именно трех кварков, должно было существовать три типа этого заряда сильного взаимодействия. Цветовую аналогию выбрали из-за связи с тем, как комбинируются различные цвета света. Отсюда и происхождение названия этой теории: приставка «хромо-» происходит от греческого слова chroma, которое означает «цвет». Три типа цветных зарядов назвали красным, синим и зеленым. Красный, синий и зеленый кварк могут объединяться для создания чего-то бесцветного. Правило гласит, что кварки не могут существовать поодиночке, поскольку они обладают цветом, а позволены лишь бесцветные комбинации. Это напоминает более раннее обсуждение природы атомов, которые должны содержать равное количество положительного и отрицательного заряда, чтобы быть электрически нейтральными. Однако в этом случае природа хотя бы позволяет атомам терять или приобретать электроны и таким образом существовать в качестве положительных или отрицательных ионов.
