Квантовая теория поля
Как я говорил в главе 3, Эйнштейн и другие разрабатывали квантовую механику с тем, чтобы разрешить парадоксы, связанные с классической концепцией света. Каково же было разочарование, когда оказалось, что первое математическое описание теории не может объяснить природу света. Уравнения прекрасно описывали материальные частицы, движущиеся с умеренными скоростями, но не налагали никаких ограничений на скорость, как того требовала теория относительности. В результате они не могли справиться с объектами, движущимися с околосветовой или световой скоростью. Невозможность рассмотрения света, движущего со скоростью света, была серьезным недостатком.
Квантовая теория поля была совместной с теорией относительности, а значит, и со светом и представляла собой развитие квантовой механики. При ее разработке физики в 1920–1930-х гг. применяли два подхода в зависимости от того, чем они считали свет — частицей или волной. Одни, например Поль Дирак в Англии, а позднее Ричард Фейнман в США, придерживались версии частиц и рисовали атомистскую картину, где крошечные бильярдные шары соударялись и отскакивали при столкновениях. Такую картину нужно было лишь немного усложнить, добавив в нее возможность возникновения и аннигиляции шаров на лету. Атомы испускали свет, создавая фотон, и поглощали его, разрушая фотон. Классические электромагнитные волны формировались из огромной массы фотонов. Еще один электромагнитный феномен, такой как статическое электричество и магнитные силы, тоже можно было представить как фотонный бильярд. Хотя эта теория изначально распространялась только на фотоны и электроны, позднее в нее включили нейтрино, кварки, бозоны Хиггса и прочих представителей субатомного зоопарка.
Другие теоретики, такие как физик австрийского происхождения Вольфганг Паули, отдавали предпочтение волнам. Для них мир был чем-то вроде водоема во время ливня, покрытого кругами, которые появлялись, распространялись и сливались. «Водоем» — это невидимое для нас электромагнитное поле, которое заполняет пространство вокруг. Волны всех видов бороздят его вдоль и поперек: длинные, короткие, высокие, низкие. Теоретики применяют квантовую механику к каждому типу волн и суммируют эту удивительную неразбериху. В соответствии с такой точкой зрения то, что мы воспринимаем как «частицы», — это не крупинки материи, а единицы волновой энергии.
Как ни удивительно, подходы, основанные на частицах и волнах, приводят к получению одних и тех же уравнений. Нет никакой необходимости разграничивать их. Свет, да и не только его, а любую форму энергии и материи, можно считать имеющим корпускулярную или волновую природу, а предмет можно называть как физикой частиц, так и квантовой теорией поля. (Даже сейчас физики используют эти названия как синонимы.)
Достижением в значительной мере было взаимоувязывание этого с теорией относительности. Создатели квантовой теории поля включили в нее не всю теорию относительности — они оставили данное Эйнштейном объяснение гравитации на потом и сосредоточились на том, чтобы частицы или волны не превышали скорость света. Это оказалось неожиданно сложным делом. Как подчеркивал Паули, движущаяся частица или волна может прекратить существование в любой момент и передать свою энергию новым частицам или волнам, сводя на нет ваши попытки отследить ее и тем более узнать, нарушает ли она установленное ограничение скорости. Вместо введения ограничения как такового Паули сконцентрировался на последствиях превышения скорости, подобно полицейскому, который выписывает вам штраф не на основании показаний своего радара, а на основании того факта, что вы добрались до дома быстрее, чем предполагалось.
Представьте, что пространство разделено на две части: на такую, где сигнал может прийти в течение определенного времени, и такую, где это невозможно. Если вы посылаете сигнал, а предполагаемый получатель находится в первой части, то он должен получить его. Если же получатель находится во второй части, то просто забудьте о сигнале. Физики называют это правилом «микропричинности». Под «причинностью» понимается тот факт, что подача сигналов является хрестоматийным примером причинно-следственной связи. Микропричинность оставляет за кадром, что именно является носителем сигнала: частица, волна или что-то еще. Существует определенное расхождение во мнении, можно ли считать микропричинность основным уроком, почерпнутым из теории относительности, однако альтернативы также делят пространство на зоны, которые свет либо может, либо не может достичь.
Все эти особенности квантовой теории поля отражали интуитивную приверженность физиков локальности. Обе конкурирующие картины мира, дававшие начало теориям, — частицы или волны — были локальными. Частицы — это локализованные кусочки материи, которые взаимодействуют друг с другом только при прямом контакте или через посредство других частиц. Волны в поле передают силы из одного места в другое в результате непрерывного движения без каких-либо сверхъестественных нелокальных прыжков. В самом деле, единственная причина, по которой Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл ввели понятия электрического и магнитного полей, как было отмечено в главе 2, заключалась в стремлении сохранить локальность. Микропричинность или любое другое эквивалентное правило гарантирует, что частицы или волны движутся с конечной скоростью, и, таким образом, обеспечивает изолированность отдельных частей пространства.
Фраза «физики разработали квантовую теорию поля» подразумевает, что они знали, что делают. На деле они спотыкались сплошь и рядом и глубоко сомневались в отношении того, в ту ли сторону идут. Объединяя элементы квантовой механики и теории относительности, физики совершали бракосочетание под дулом пистолета с непредсказуемыми последствиями. И по сей день они пытаются постичь, что именно квантовая теория поля говорит им о мире. Как мы видели в предыдущей главе, обычная квантовая механика не является образцом прозрачности во всех смыслах, однако она по крайней мере довольно проста с точки зрения математики — для проведения вычислений не требуется даже калькулятор. Квантовая теория поля — другое дело. Она заслужила репутацию самого математически сложного предмета в науке. Даже экспертам приходится сражаться с ним изо всех сил. Джо Полчински из Института теоретической физики в Санта-Барбаре говорит, что он дважды прослушал курс теории, получил степень доктора философии
[19], но так до конца и не освоился с ним.
Выяснять смысл физики — дело философов, однако жуткая сложность квантовой теории поля отпугивает большинство из них. Одним из тех, кто не испугался, является Ханс Халворсон из Принстонского университета. Больше всего на свете ему нравится продираться сквозь математические дебри. Он из тех, кто самостоятельно рассчитывает свои налоги каждый год да еще сетует, что это слишком просто. «Когда я в аспирантуре начал влезать в квантовую теорию поля, мне было так интересно, — вспоминает он. — Это нескончаемый поток проблем». Любовь к разгребанию алгебраических нагромождений — именно то, что нужно для этого предмета. Если уж на то пошло, перед Халворсоном, в отличие от других философов, стоит противоположная проблема: он борется с понятийным мышлением, краеугольным камнем философии. Однако тот факт, что построение философской базы дается нелегко, лишь подзадоривает его — это вершина, которую он решил покорить. «Я склонен подходить к вещам чересчур математически, — говорит он. — Один математик как-то посоветовал мне: “Оторвись ты от этих формул на минуту”. Математик называется!.. Самое трудное — интерпретировать смысл математики».
