В поисках окончательной теории

Антропная картина мира держится на предположении, что фундаментальные постоянные могут варьироваться от одного места к другому. Но действительно ли такое возможно? Это вопрос о фундаментальной физической теории: будет ли из нее вытекать один уникальный набор констант или она предоставит более широкий набор возможностей?

Неизвестно, что представляет собой фундаментальная теория, и нет никакой гарантии, что она вообще существует, но поиск окончательной объединенной теории вдохновляет многие современные исследования в области физики элементарных частиц. Есть надежда, что за многочисленностью частиц и различиями четырех фундаментальных взаимодействий стоит единый математический закон, которые управляет всеми первичными явлениями. Из этого закона могут вытекать все свойства частиц, а также законы гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий — подобно тому, как все теоремы геометрии следуют из пяти аксиом Евклида.

Характер объяснения свойств элементарных частиц, которое физики надеются получить из окончательной теории, хорошо иллюстрируется тем, как квантовая механика объяснила химические свойства элементов. В начале прошлого века атомы считались фундаментальными кирпичиками материи. Каждый тип атомов представляет определенный химический элемент, и химики накопили огромный объем данных о свойствах каждого из них и об их взаимодействии друг с другом. К тому времени было известно 92 различных элемента — для фундаментальных строительных блоков это было многовато. К счастью, работа русского химика Дмитрия Менделеева в конце XIX века открыла некоторые закономерности в этой горе данных. Менделеев упорядочил элементы по возрастанию их атомного веса и заметил, что похожие химические свойства появляются в таблице через равные интервалы.[124] Никто, однако, не мог объяснить, почему элементы следуют этому периодическому шаблону.

К 1911 году стало ясно, что атомы все-таки не являются фундаментальными частицами. Эрнест Резерфорд продемонстрировал, что атом состоит из роя электронов, обращающихся вокруг маленького тяжелого ядра. Количественное объяснение строения атомов было получено в 1920-х годах, после создания квантовой механики. Оказалось, что электроны, грубо говоря, образуют вокруг ядра серию концентрических оболочек. Каждая оболочка может содержать строго определенное число электронов. С добавлением электронов оболочки постепенно заполняются. Химические свойства атома определяются в основном числом электронов на самой внешней его оболочке. Когда начинает заполняться новая оболочка, свойства элементов меняются аналогично — примерно так, как при заполнении предыдущей оболочки.[125] Этим объясняется периодичность таблицы Менделеева.

В течение нескольких лет казалось, что фундаментальная структура материи наконец понята. Поль Дирак, один из основателей квантовой механики, заявил в статье 1929 года, что "все базовые физические законы, необходимые для построения математической теории большей части физики и всей химии, уже открыты". Но затем одна за другой стали появляться новые "элементарные" частицы.

Для начала атомные ядра оказались составными, сложенными из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Затем был открыт позитрон, а за ним мюон.[126] Когда протоны врезаются друг в друга на ускорителях, возникают новые виды короткоживущих частиц. Это вовсе не означает, что протоны состоят из них. Если столкнуть два телевизора, то можно быть уверенным, что разлетающиеся обломки — это части, из которых прежде состояли устройства. Но в случае столкновения протонов некоторые образующиеся частицы будут тяжелее самих протонов. Избыток массы возникает из кинетической энергии их движения. Так что эти эксперименты со столкновениями не раскрывали внутреннее устройство протона, а лишь пополняли зоопарк частиц. К концу 1950-х годов их количество превзошло число известных элементов.[127] Энрико Ферми, один из пионеров физики элементарных частиц, сказал, что если бы он мог запомнить названия всех частиц, то мог бы стать ботаником.[128]

Прорыв, позволивший упорядочить эту хаотичную толпу частиц, совершили независимо друг от друга в начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Манн из Калтеха и Ювал Нееман (Yuval Ne'eman), израильский офицер, который ушел в отставку для завершения своей диссертации по физике. Они заметили, что все сильно взаимодействующие частицы подчиняются двум типам симметрии. Позднее Гелл-Манн и — независимо — Георг Цвейг (George Zweig) из ЦЕРНа показали, что эти симметрии можно объяснить, если считать все частицы состоящими из более фундаментальных строительных блоков, которые Гелл-Манн назвал кварками. Это сократило количество элементарных частиц, но не радикально: кварки бывают трех "цветов" и шести "ароматов", так что имеется 18 кварков и столько же антикварков. В 1969 году за открытие симметрии сильно взаимодействующих частиц Гелл-Манн получил Нобелевскую премию.

Параллельно с этим схожая симметрия обнаружилась и для частиц, участвующих в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Ключевую роль в формулировании этой электрослабой теории сыграли гарвардские физики Шелдон Глзшоу (Sheldon Glashow) и Стивен Вайнберг, а также пакистанский физик Абдус Салам. За эту работу они разделили Нобелевскую премию 1979 года. Классификация частиц в соответствии с симметриями играет роль, аналогичную периодической таблице в химии. Вдобавок было выявлено три типа частиц-переносчиков для трех фундаментальных взаимодействий: фотоны для электромагнитных сил, W- и Z-частицы для слабого взаимодействия и 8 глюонов для сильного. Все эти ингредиенты легли в основу Стандартной модели физики элементарных частиц.

Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель предсказала свойства W- и Z-частиц, а также дополнительных кварков — все они были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория.

И все же Стандартная модель очевидно слишком громоздкая, чтобы признать ее окончательной теорией. Модель включает более 60 элементарных частиц — не слишком большой шаг вперед по сравнению с числом элементов таблицы Менделеева. В модели (чтобы не путать с таблицей) 25 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны. Более того, одно важнейшее взаимодействие — гравитация — осталось за бортом этой модели.[129] Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.[130]