Позже, в начале 1970-х гг., нужная теория была найдена. Как и успешная теория электрослабого взаимодействия, новая теория имела нечто общее с квантовой электродинамикой, только теперь место электрического заряда заняла новая величина, условно названная цветом. В рамках этой теории, получившей название квантовой хромодинамики, сильное взаимодействие между кварками осуществляется за счет обмена протоноподобными частицами восьми типов, названных глюонами. Квантовая хромодинамика объясняет экспериментальные результаты, согласно которым сильное взаимодействие между кварками ослабевает, когда кварки рассматриваются на конечных расстояниях, как и в случае, когда они сталкиваются с электронами при высоких энергиях. Это ослабление силы взаимодействия позволяет проводить различные приближенные расчеты, как в теории электрослабого взаимодействия, и результаты расчета согласуются с экспериментами, что подтверждает правильность теории.
Глюоны никогда не наблюдались в эксперименте. Сначала предполагалось, что причиной этому является слишком высокая масса частиц, поэтому их не удается получить в существующих ускорителях. Глюоны приобретают огромную массу в результате нарушения симметрии, аналогично тому как W+, W— и Z0-бозоны приобретают массу в теории электрослабого взаимодействия. И даже в этом случае все еще остается загадкой, почему кварки ни разу не наблюдались в экспериментах. Трудно было поверить, что кварки слишком тяжелые; навряд ли они могут быть намного тяжелее, чем содержащие их протоны и нейтроны.
Позже несколько ученых-теоретиков предположили, что, поскольку сильное взаимодействие ослабевает на малых расстояниях, возможно, оно становится очень интенсивным на больших расстояниях, настолько интенсивным, что оказывается невозможным разъединить цветные частицы вроде кварков и глюонов. Никто не доказал математически справедливость этого предположения, но многие физики считают его верным.
Итак, теперь мы имеем Стандартную модель элементарных частиц. Ее компоненты — это квантовые поля и различные элементарные частицы, представляющие собой кванты этих полей: фотоны, W+, W— и Z0-частицы, восемь глюонов, шесть типов кварков, электрон и два типа подобных ему частиц, а также три типа почти безмассовых частиц, называемых нейтрино. Уравнения этой теории не случайны; они тесно связаны с различными принципами симметрии и с условиями исключения бесконечностей.
При этом Стандартная модель, очевидно, не является окончательной теорией. В ее уравнения входит множество параметров, например массы кварков, которые нужно получать экспериментально, и мы не понимаем, почему они имеют именно такие значения. Более того, Стандартная модель не описывает самую привычную и давно известную силу — силу гравитации. Обычно мы описываем гравитацию с помощью теории поля — общей теории относительности, однако это не квантово-полевая теория с исключенными бесконечностями по типу Стандартной модели.
Начиная с 1980-х гг. огромное количество сложных математических работ было посвящено развитию квантовой теории, фундаментальными компонентами которой были бы не частицы или поля, а тонкие струны. Различные моды колебаний этих струн мы видим как различные типы элементарных частиц. Одна из таких мод соответствует гравитону, кванту гравитационного поля. Если теория струн окажется верна, это не означает, что теории поля, такие как Стандартная модель или ОТО, станут неверными; просто их значение понизится до эффективных теорий, приближений, справедливых на масштабах расстояний и энергий, доступных для наблюдения.
Теория струн довольно привлекательна, поскольку включает в себя гравитацию, не содержит бесконечностей, а ее структура тесно связана с условиями математической согласованности, то есть теория струн всего одна. К сожалению, несмотря на то что мы до сих пор не знаем точный вид уравнений, лежащих в основе теории струн, есть причины полагать, что, какими бы эти уравнения не были, они имеют огромное количество решений. Я был поклонником теории струн, однако меня огорчает то, что пока никому не удалось найти решение, соответствующее наблюдаемому нами миру.
Проблемы физики элементарных частиц и космологии все чаще пересекаются. Существует классическая загадка космологии: почему Вселенная настолько однородна? За 13,8 млрд лет с того момента, как Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения, никакому физическому взаимодействию не хватило бы времени, чтобы связать те части Вселенной, которые мы видим в различных по отношению к себе направлениях, и чтобы наблюдаемое распределение плотности и температуры во Вселенной вследствие этого всюду стало бы однородным. В начале 1980-х гг. выяснилось, что различные квантово-полевые теории предсказывают предшествующий моменту формирования атомных ядер период инфляции, когда Вселенная расширялась экспоненциально. Высокооднородные малые области во время инфляции должны были расшириться до размеров, превышающих современные размеры наблюдаемой Вселенной, оставаясь при этом приблизительно однородными. Конечно, это всего лишь гипотеза, однако она оказалась чрезвычайно успешной. Расчеты показывают, что квантовые флуктуации в процессе инфляции должны были запустить через несколько тысяч лет что-то вроде хаотических волн, отзвуки которых мы сегодня наблюдаем в виде фонового реликтового излучения.
Инфляция хаотична по своей природе. Каждый пузырь, сформировавшийся в расширяющейся Вселенной, в итоге разорвался своим большим или маленьким взрывом, и для всех них, вероятно, характерны различные наборы величин, которые мы обычно называем фундаментальными константами. Обитатели (если таковые есть) одного пузыря не могут видеть другие пузыри, поэтому их пузырь кажется им всей вселенной. Полный набор всех таких вселенных получил название Мультивселенной.
В этих пузырях могут быть реализованы все возможные решения уравнений теории струн. И если так, тогда надежда найти рациональное объяснение точным значениям массы кварков и другим константам Стандартной модели, которые характерны для нашего Большого взрыва, обречена, поскольку это всего лишь случайные значения, установившиеся в той конкретной части Мультивселенной, где мы живем. Нам придется довольствоваться огрубленным вариантом антропного принципа для объяснения некоторых аспектов наблюдаемой Вселенной: любые живые существа, вроде нас с вами, которые могут изучать Вселенную, должны находиться в той ее части, в которой фундаментальные константы допускают эволюцию жизни и разума. Человек действительно может оказаться мерой всех вещей, хоть и не совсем в том смысле, который подразумевал Протагор
[40].
На сегодня, по-видимому, антропный принцип предлагает единственное объяснение наблюдаемому количеству темной энергии. В Стандартной модели и других известных квантовых теориях поля количество темной энергии просто фундаментальная константа. Это количество может быть любым. За неимением лучшего мы можем предположить, что плотность темной энергии соответствует плотности энергии, характерной для физики элементарных частиц, например плотности энергии в атомном ядре. Однако тогда Вселенная расширилась бы так быстро, что не образовалось бы никаких галактик, звезд или планет. Для эволюционного развития жизни количество темной энергии не может быть много больше или меньше наблюдаемой величины.
