Рассмотрим новую частицу X, которая, как мы можем полагать, вызывает малозаметные, но важные эффекты в повседневном мире — например, позволяет гнуть ложки силой мысли или является источником сознания как такового. В таком случае частица X должна прямо или косвенно взаимодействовать с обычными частицами, например с кварками и электронами. Если этого не происходит, то она никоим образом не может оказывать влияния на тот мир, который мы непосредственно наблюдаем.

Взаимодействия между частицами в квантовой теории поля визуализируются при помощи прелестных картинок, которые называются диаграммами Фейнмана. Допустим, частица X отскакивает от электрона, при этом обмениваясь с ним какой-то новой частицей Y. Слева направо на диаграмме показано следующее: появляются X и электрон, обмениваются частицей Y и разлетаются своими дорогами.

На диаграмме изображено не то, что может произойти: диаграмме соответствует число, сообщающее, насколько сильным является это взаимодействие — в данном случае, с какой вероятностью X отскочит от электрона. Согласно перекрёстной симметрии, каждому такому явлению соответствует другой процесс такой же силы, который можно изобразить, повернув диаграмму на 90 градусов, а во всех линиях, направление которых изменилось, заменить частицу на античастицу. Пример результата перекрёстной симметрии показан на следующем рисунке.

На диаграмме изображена аннигиляция электрона и позитрона (античастицы, соответствующей электрону) с образованием частицы Y, которая затем распадается на X и анти-X. Эта диаграмма связана с предыдущей по принципу перекрёстной симметрии

В теории поля каждой частице соответствует своя античастица, имеющая противоположный электрический заряд. Античастица электрона называется «позитрон», она имеет положительный заряд. Согласно перекрёстной симметрии, первое явление, отскок частицы X от электрона, подразумевает, что есть и аналогичное явление, при котором электрон аннигилирует с позитроном и в результате порождается наша частица X, а также её античастица.

И вот что получилось в итоге. Мы экспериментировали со столкновениями электронов и позитронов, ставили такие опыты часто и тщательно. С 1989 по 2000 год для этой цели в подземной лаборатории близ Женевы использовался Большой электрон-позитронный коллайдер (предшественник современного Большого адронного коллайдера). В ходе этих экспериментов электроны и позитроны сталкивались при немыслимых энергиях, а физики внимательно отслеживали всё, что возникало в итоге. При этом они всем сердцем надеялись найти новые частицы; открытие новых частиц, в особенности нежданных, — самая захватывающая сторона этой области физики. Но они не встретили ничего нового. Лишь известные частицы из Базовой теории, возникавшие в огромных количествах.

* * *

То же самое было проделано и для столкновений протонов с антипротонами, пробовали и разнообразные иные комбинации. Вердикт однозначен: мы открыли все элементарные частицы, которые только позволяют обнаружить наши самые ультрасовременные технологии. Перекрёстная симметрия не оставляет сомнений в том, что если бы от нас ускользали ещё какие-то частицы, взаимодействующие с обычной материей достаточно сильно, чтобы это сказывалось на обычной материи, то такие частицы должны были бы легко возникать при экспериментах. Но ничего такого не происходит.

Вероятно, нам ещё предстоит найти новые элементарные частицы. Просто они никак не влияют на обыденный мир. Тот факт, что мы ещё не нашли таких частиц, сам по себе многое сообщает о том, какие свойства у них должны быть; в этом сила квантовой теории поля. Любая частица, которую мы пока не нашли, должна обладать одним из следующих признаков:

1) она должна так слабо взаимодействовать с обычной материей, что такие частицы почти никогда не образуются, или

2) она может быть крайне массивной, поэтому может образоваться лишь при столкновениях столь высоких энергий, которые пока недостижимы даже в наших лучших ускорителях, или

3) она может быть исключительно короткоживущей, настолько, что, едва образовавшись, сразу распадается на другие частицы.

Если бы какая-то из необнаруженных нами частиц существовала достаточно долго и взаимодействовала с обычной материей настолько сильно, что это могло бы отражаться на физических явлениях окружающего мира, то мы бы уже получили её в экспериментах.

Считается, что ещё одна разновидность пока не открытых частиц может существовать, и именно из этих частиц состоит тёмная материя. Астрономы, изучающие движения звёзд и галактик, а также крупномасштабную структуру Вселенной, убедились, что большая часть материи является «тёмной», то есть состоит из каких-то новых частиц, не относящихся к Базовой теории. Частицы тёмной материи должны быть достаточно долговечны, иначе они давным-давно бы распались. Но они не могут достаточно сильно взаимодействовать с обычной материей, так как в противном случае уже давно были бы открыты в одном из многих экспериментов, призванных обнаружить тёмную материю, — физики ведут такие опыты прямо в наши дни. Чем бы ни являлась тёмная материя, она определённо не делает погоды здесь, на Земле, — никак не связана ни с биологией, ни с сознанием, ни с человеческой жизнью.

* * *

В этом анализе есть очевидный изъян. Есть частица, которая, на наш взгляд, должна существовать, но которую пока так и не удалось обнаружить: это гравитон. Он лёгок и достаточно стабилен, чтобы возникнуть, но гравитация — настолько слабое взаимодействие, что все гравитоны, которые мы могли бы получить в ускорителе частиц, сразу будут поглощены множеством иных образующихся там частиц. Однако гравитация влияет на нашу повседневную жизнь.

Основная причина, по которой гравитация так важна, заключается в следующем. Это дальнодействующая сила, которая накапливается: чем больше у нас вещества, оказывающего гравитационное воздействие, тем сильнее это воздействие. (Такая закономерность может не соблюдаться, скажем, для электромагнетизма, так как положительные и отрицательные заряды обнуляются, а гравитация всегда только усиливается.) Итак, хотя и нет надежды синтезировать или зафиксировать отдельный гравитон при столкновении двух частиц, общее гравитационное воздействие всей Земли даёт существенную силу тяготения.

Возможно, этой лазейкой «пользуется» и какая-то другая сила: при рассмотрении всего нескольких частиц она может быть несущественной, но вдруг она накапливается, если собрать вместе достаточно много материи? Физики уже много лет ищут такое «пятое взаимодействие». Пока ничего не нашли.

Поиск новых взаимодействий значительно упрощается благодаря тому, что обычные объекты состоят всего из трёх видов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Ещё одна черта квантовой теории поля заключается в том, что она не позволяет «включать» и «выключать» воздействия отдельных частиц; соответствующие им поля никуда не деваются. Можно генерировать макроскопические силы, правильно комбинируя положительные и отрицательные заряды, например в электромагните, но поля частиц всегда присутствуют. Итак, нужно искать взаимодействия между частицами этих трёх видов. Физики именно этим и занимаются: ставят безукоризненно точные эксперименты, при которых тела разного состава сначала сближаются друг с другом, а затем вновь удаляются; при этом ищут любой намёк на какое-либо влияние, не связанное с известными силами природы.

Результаты, полученные по состоянию на 2015 год, схематически представлены на следующем рисунке. Любые возможные взаимодействия между двумя заданными видами частиц имеют два числовых параметра: сила этого взаимодействия и расстояние, на котором оно ощущается. (Гравитация и электромагнетизм являются «дальнодействующими» силами, простирающимися фактически на бесконечные расстояния; зона влияния слабых и сильных ядерных взаимодействий очень мала — меньше размера атома.) Проще измерять сильные и при этом дальнодействующие силы. Существование подобных неоткрытых взаимодействий мы уже исключили.