Практически весь эмпирический опыт слагается из минимального количества составляющих. Это различные атомные ядра, которые перечислены в таблице Менделеева; вьющиеся вокруг них электроны, а также две дальнодействующие силы, обеспечивающие взаимодействия всех этих частиц, — гравитация и электромагнетизм. Если вы хотите описать всё, что происходит в скалах и лужицах, ананасах и броненосцах, — то это всё, что вам потребуется. А гравитация, следует признать, довольно проста. Все тела взаимно притягиваются. Все реальные структуры и сложность, наблюдаемая в мире, порождаются электронами (и тем фактом, что они не могут примыкать друг к другу), взаимодействующими с ядром и с другими электронами.

Разумеется, есть и исключения. Слабое ядерное взаимодействие играет важную роль при термоядерном синтезе, благодаря которому горит Солнце, поэтому без слабого взаимодействия нам не обойтись. Мюоны — сравнительно тяжёлые частицы, напоминающие электроны, — могут образовываться, когда космические лучи бомбардируют земную атмосферу; при этом они могут влиять на скорость мутаций в ДНК и, следовательно, на биологическую эволюцию. Важно учитывать эти и другие феномены — и Базовая теория отслеживает их с поразительным успехом. Однако львиная доля всего, что происходит в жизни, связана с гравитацией и электромагнетизмом, под влиянием которых движутся электроны и ядра.

Мы можем быть уверены, что Базовая теория, описывающая все сущности и процессы, с которыми нам доводилось сталкиваться в жизни, верна. Через тысячи лет мы узнаем много нового о фундаментальной природе физических процессов, но по-прежнему будем использовать Базовую теорию, рассуждая о данном, конкретном уровне реальности. С точки зрения поэтического натурализма существует одна трактовка реальности, которую мы можем с уверенностью изложить в чётко определённой области применения. Метафизической уверенности в этом быть не может, поскольку это нельзя доказать математически — наука никогда ничего не доказывает. Тем не менее с точки зрения любого добросовестного байесовского рассуждения с огромной вероятностью представляется, что всё именно так. Нам полностью известны те физические законы, которые лежат в основе повседневной реальности.

Глава 23

Материя, из которой мы состоим

Квантовая теория поля — невероятно мощный научный аппарат. Если бы можно было себе представить, что каркас какой-либо физической теории мог бы родиться от союза Годзиллы и Халка, то речь шла бы именно о квантовой теории поля.

«Мощный» не означает «стирающий в пыль целые города». (Хотя квантовая теория поля именно такова, поскольку лишь она позволяет описать, как одна частица превращается в другую, а такой процесс — важнейший аспект ядерных реакций и, следовательно, атомного оружия.) В контексте научных теорий «мощная» на самом деле означает «строгая» — согласно по-настоящему мощной теории, многие вещи просто не могут произойти. Сила, о которой мы здесь говорим, — это возможность начать с минимального числа посылок и прийти к таким выводам, которые будут надёжны и широко применимы. Квантовая теория поля не сносит здания, попадающиеся ей на пути; она крушит наши спекуляции о том, какие явления возможны в физической реальности.

Сейчас мы сделаем очень дерзкое заявление.

Заявление: физические законы, лежащие в основе повседневной реальности, полностью известны.

Подобное заявление сразу вызывает изрядный скепсис. Оно нахальное, самодовольное, причём кажется, что вполне реально можно себе представить, в каких отношениях наша картина мира может оказаться удручающе неполной. Такое заявление до боли напоминает многочисленные исторические примеры, когда тот или иной великий мыслитель хвастал, что путь к исчерпывающим знаниям близится к концу. Всякий раз такие заявления оказывались смехотворно преждевременными.

Однако мы утверждаем, что нам известны не все законы физики, а лишь их ограниченное множество, достаточное для описания всего, что происходит в нашей повседневной жизни. Даже такая формулировка кажется весьма самонадеянной. Наверняка должны существовать многочисленные возможности добавлять в Базовую теорию новые частицы и взаимодействия, которые могут оказаться важны для обыденной физики, и, если уж на то пошло, открывать совершенно новые явления, полностью выходящие за рамки квантовой теории поля. Верно?

Нет. Ситуация теперь на самом деле иная, нежели всё, что было когда-либо в истории науки. Мало того, что у нас есть успешная теория, мы к тому же знаем, как далеко может распространиться эта теория, прежде чем в ней можно будет усомниться. Да, просто квантовая теория поля настолько мощная.

* * *

В основе нашего дерзкого заявления лежит простая логика.

1. Всё, что мы знаем, свидетельствует о том, что квантовая теория поля — адекватный аппарат, позволяющий описывать физику повседневности.

2. Законы квантовой теории поля подразумевают, что уже не могут быть открыты никакие новые частицы, силы или взаимодействия, которые были бы существенны для нашей повседневной жизни. Мы уже открыли их все.

Может ли квантовая теория поля где-нибудь не сработать? Разумеется. Как хорошие байесовцы, мы вполне усвоили, что лучше не обнулять субъективную вероятность даже в самых крайних случаях. В частности, квантовая теория поля, возможно, не в состоянии полностью описать человеческое поведение, поскольку физика может быть для этого непригодна. Может случиться чудесное вмешательство либо какой-нибудь исходно нефизический феномен, влияющий на свойства физической материи. Никакой научный прогресс никогда полностью не исключит такую возможность. Но мы можем показать, что физика как таковая абсолютно достаточна для описания всего, что мы видим.

Специальная теория относительности Эйнштейна (в отличие от общей теории относительности) объединяет пространство и время в одно целое и постулирует, что скорость света является абсолютным пределом скорости во Вселенной. Допустим, мы хотим сформулировать теорию, которая одновременно охватывала бы три эти идеи:

1. квантовая механика,

2. специальная теория относительности,

3. значительно удалённые регионы пространства функционируют независимо друг от друга.

Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг утверждает, что любая теория, соответствующая этим требованиям, будет напоминать квантовую теорию поля на (относительно) больших расстояниях и при низких энергиях — допустим, больше протона. Независимо от того, что происходит на конечном, самом фундаментальном и исчерпывающем уровне природы, тот мир, который доступен для человеческого наблюдения, будет хорошо описываться квантовой теорией поля.

Следовательно, если мы хотим описать окружающий нас повседневный мир низких энергий, строго придерживаясь физических законов, то должны действовать в контексте квантовой теории поля.

* * *

Давайте признаем, что квантовая теория поля работает в повседневных условиях, и зададимся вопросом, почему больше не может существовать неоткрытых частиц, которые как-либо влияли бы на окружающий мир.

Во-первых, нужно удостовериться, что не может существовать реальных материальных частиц, которые бы носились вокруг и пронизывали наше тело, как-либо влияя при этом на поведение уже известных нам частиц. Затем нужно убедиться, что на свете нет никаких виртуальных частиц или новых взаимодействий, которые с определённой вероятностью могли бы влиять на те частицы, которые мы наблюдаем. В квантовой теории поля виртуальными именуются такие частицы, которые молниеносно возникают и столь же быстро исчезают, образуя квантовые флуктуации и влияя при этом на реальные частицы, но сами остаются совершенно незаметными. Эту проблему мы рассмотрим в следующей главе, а пока давайте сосредоточимся на реальных частицах.

Нам известно, что в физике не существует никаких новых частиц и полей, которые играли бы важную роль в повседневной жизни; это связано с ключевым свойством квантовой теории поля, так называемой перекрёстной симметрией. Это удивительное явление помогает убедиться в том, что некоторых разновидностей частиц не существует, иначе мы бы их уже нашли. В принципе перекрёстная симметрия заключается в следующем: если одно поле может взаимодействовать с другим (например, рассеиваться при контакте с ним), то второе поле при подходящих условиях может порождать частицы первого. Можно сказать, что на уровне квантовой теории поля этот принцип аналогичен закону «на всякое действие есть противодействие».