Путь к объединению

      Посещение физической лаборатории при большом ускорителе всегда оставляет неизгладимое впечатление. Сотни ученых, инженеров обслуживающего персонала, концентрация талантов, обеспечивающих бесперебойную работу небольшого числа гигантских машин чудовищной мощи и сложности; дерзновенность замысла и его свершения, ощущение прикосновения к неизвестному—все это создает в наиболее чистом виде представление о науке.
      Когда осенью 1982 г. я посетил ЦЕРН, чтобы прочитать там несколько лекций, мне сразу стало ясно, что вот-вот должно произойти нечто необычное. Там господствовала атмосфера приподнятости, ожидания и ощущения, что важные открытия где-то совсем рядом. Внешне все шло как обычно: суета в коридорах, ученые спешили к экспериментальным установкам или на семинары, гости из дальних стран увлеченно беседовали с коллегами или проглядывали последнюю информацию, теоретики нерпеливо выписывали уравнения на досках или на бесконечных листах бумаги, секретарши склонялись над пишущими машинками, лаборанты колдовали над проводами и электронными лампами, в кафетерии во время завтрака не умолкали шум и гам. В ЦЕРНе всегда проводится одновременно много экспериментов. Сами ускорители, скрытые в бетонных параллелепипедах зданий или в подземных туннелях, внешне не подают никаких признаков жизни. Случайному прохожему и в голову не придет, какие силы вызываются из недр этих технических титанов.
      Самой большой из машин ЦЕРНа в то время был протон-антипротонный ускоритель на встречных пучках, коллайдер, — кольцеобразная камера длиной в несколько километров, внутри которой циркулировали навстречу друг другу протоны и антипротоны. Пучки частиц, ускоренных до нужной энергии, направляли так, чтобы произошло лобовое столкновение. Происходила аннигиляция протонов и антипротонов, а из освобождавшейся при этом энергии рождались потоки новых частиц, разлетающихся во все стороны от точки столкновения Для обнаружения следов частиц обычно используются специальные электронные устройства, которые срабатывают при прохождении через них электрически заряженных тел. С помощью системы таких устройств экспериментатору удается восстанавливать трехмерную картину столкновения. Протоны и антипротоны поступают в ускоритель из периферийных устройств, одно из которых предназначено для получения антипротонов и хранения их в магнитном накопительном кольце перед инжекцией в коллайдер. Возглавлял работу итальянский физик Карло Руббиа. Осенью 1982 г. Руббиа был героем дня.
      Хотя коллайдер только выходил на расчетный режим, нетерпеливые физики увлеченно пытались предугадать, с какими процессами им придется иметь дело при столкновениях частиц в неисследованном пока диапазоне энергий. Но вступая на территорию, которой еще не было на карте, группа из ЦЕРНа все же имела путеводную нить — теорию, и в ней заметно выделялся один ранее намеченный ориентир Если вычисления были правильны, то физикам со дня на день предстояло впервые увидеть частицу нового типа — так называемую W-частицу, переносчика слабого взаимодействия. Предсказанная пару десятилетий назад, W-частица еще никем не наблюдалась. Подтверждение ее существования означало бы первый шаг на пути к суперсиле.
      В декабре 1982 г. у экспериментаторов рассеялись последние сомнения. По всему миру ползли слухи. Но только в середине января 1983 г. Руббиа пригласил прессу и объявил об открытии W-частицы.
      В сущности, цель науки — это поиск единства. Научный метод обязан своими значительными успехами способности ученых связывать разрозненные фрагменты знания в единую картину. Отыскивать связующее звено — одна из главных задач научного исследования. Выявление Ньютоном связи между гравитацией и движением планет ознаменовало собой рождение научной эры. Выявление связи между болезнетворными микробами и заболеваниями положило начало современной медицине как истинной науке. Установление связи термодинамических свойств газа с хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомную теорию вещества. Обнаружение связи между массой и энергией проложило путь к ядерной энергии.
      Всякий раз, когда ученым удается установить новые связи, расширяется понимание окружающего мира и возрастает наша власть над ним. Новые связи не просто объединяли наши познания — они указывали путь к ранее не известным явлениям. Связи — это одновременно и синтез знания, и стимул, направляющий научные исследования по новым, непроторенным дорогам.
      Фундаментальная физика всегда прокладывала путь к единству знания. Но все происходившее в физике с начала 70-х годов не сравнимо ни с чем. По-видимому, мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-либо ранее. Среди физиков растет убеждение, что начинают вырисовываться контуры не более и не менее как единой теории всего сущего.
      Подобные теории отнюдь не новость. Большинство религий претендуют на описание естественного и потустороннего миров в их космическом единстве. Но религиозные космологии уходят корнями в древнюю мудрость, божественное откровение и теологические хитросплетения. Среди них нет и двух одинаковых.
      Научные теории такого сорта редки, хотя и встречаются. Английский астроном Артур Эддингтон, например, пытался построить всеобъемлющее описание материи, силы и возникновения Вселенной в книге “Фундаментальная теория”, опубликованной в 1946 г. Но претенциозные идеи Эддингтона были во многом лишь мечтой одинокого и, возможно, несколько эксцентричного ученого. Ныне же впервые научный эксперимент и теория достигли такого уровня, когда стало реальным создание полной теории Вселенной, которая опирается на общепринятые и допускающие проверку гипотезы.
      Главный толчок столь существенному продвижению был дан исследованиями фундаментальных взаимодействий в природе. В гл. 5 мы рассказали, что физики различают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Еще в середине прошлого столетия Максвелл создал единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные явления. Затем в 20-х годах нашего века Эйнштейн предпринимал систематические попытки объединить электромагнетизм с его теорией гравитации (общей теорией относительности).
      Но вскоре его увлекли другие события. Были открыты ядерные силы — сильное и слабое взаимодействия, и при любой попытке объединить силы природы приходилось считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными взаимодействиями. Однако увлеченность идеей единого описания не прошла. Почему должно быть четыре различных фундаментальных взаимодействия? Перспектива описания всего происходящего в природе на основе одной-единственной суперсилы оставалась привлекательной, но неопределенно далекой мечтой. Ныне осуществление этой мечты — дело отнюдь не отдаленного будущего. Вскоре она вполне может стать реальностью.
      Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в конце 60-х годов. К тому времени теоретики добились невиданных успехов в применении квантовой теории к полям. Представление о поле возникло столетием раньше, успев доказать свою полезность в широком диапазоне практических приложений, в частности в радиотехнике. Соединение квантовой механики с электромагнитным полем привело непосредственно к квантовой электродинамике (КЭД), обладающей легендарными точностью и предсказательной силой.
      Что касается трех остальных взаимодействий, то тут, к сожалению, нельзя было похвастаться аналогичными достижениями. Квантовая теория гравитации, в которой переносчиками гравитационного взаимодействия служат гравитоны, завязла в математических трудностях. Природа слабого взаимодействия по-прежнему оставалась во многом непонятной. По поводу существования Z-частиц не было единого мнения, а описание с помощью обмена только W-частицами давало разумные результаты лишь в случае простейших процессов при низких энергиях. Еще менее понятной казалась природа сильного взаимодействия. К тому времени стало ясно, что все адроны, в частности протоны и нейтроны, вовсе не элементарные частицы, хотя теория кварков еще не имела прочного фундамента. Взаимодействие адронов выглядело очень сложным, но никто не знал, как моделировать внутреннюю структуру адронов, чтобы получить более простое описание.
      Таким образом, в 60-е годы каждое из четырех взаимодействий описывалось своей теорией, и из них только одну, а именно КЭД, можно было считать во всех отношениях удовлетворительной. Теоретики стали размышлять, в чем же секрет КЭД. Какими особенностями электромагнитного поля, не свойственными другим силовым полям, обусловлен успех квантового описания? Если бы удалось выявить эти особенности, то теорию других взаимодействий можно было бы так видоизменить, чтобы включить в нее эти решающие факторы.

Оживший вакуум

      Пустое пространство кажется не очень перспективным объектом для исследования, однако именно в нем скрыт ключ к полному пониманию существующих в природе взаимодействий. Вакуум довольно легко представить наглядно. Это область пространства, из которой удалено решительно все — частицы, поля, волны. Достичь абсолютного вакуума практически невозможно. Даже в космическом пространстве всегда присутствует остаток газа или плазмы, а также реликтовое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Однако ничто не мешает нам рассматривать идеализированный вакуум.
      Когда физики приступили к разработке квантовой теории поля, оказалось, что вакуум совсем не такой, каким его долгое время представляли, — это не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества. Оказалось, что квантовая физика способна на “трюки” даже в отсутствие квантовых частиц.
      Источник таких “трюков” — принцип неопределенности Гейзенберга, точнее его разновидность, относящаяся к энергии. В гл. 2 мы говорили о том, -что квантовые эффекты могут приостанавливать действие закона сохранения энергии на очень короткое время. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята “взаймы” на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее частицы могут возникнуть из ничего, обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить. Как бы мы ни старались опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой мимолетных частиц, возникновение которых “субсидируется” соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность “виртуальных” частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова превращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками.
      То, что казалось пустым пространством, в действительности кишит виртуальными частицами. Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. “Реальную” частицу, например электрон, всегда необходимо рассматривать на фоне этой непрерывной активности. Перемещаясь в пространстве, электрон в действительности оказывается в окружности частиц-призраков — виртуальных лептонов, кварков и переносчиков взаимодействий, — плутая в этой неразберихе. Своим присутствием он вносит возмущение в непрерывную активность вакуума, которая в свою очередь оказывает воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума.
      Если два электрона обмениваются фотоном, то это не что иное, как дополнительное возмущение в существовавшей ранее системе обменов. Описание взаимодействия частиц должно учитывать все эти дополнительные виртуальные кванты. В присутствии силовых полей полное состояние данной частицы включает процессы обмена двумя, тремя или большим числом частиц-посредников, которые взаимодействуют с частицами вакуума так, что исходная частица и частицы-посредники оказываются буквально облеплены виртуальными частицами. Происходит бесконечное количество взаимодействий, причем все в одно и то же мгновение.
      На рис. 14 изображен сравнительно простой пример одного из процессов высокого порядка. Одна из частиц испускает виртуальный фотон, который затем порождает электрон-позитронную пару. Частицы этой пары в свою очередь обмениваются другим виртуальным фотоном, а затем аннигилируют, образую еще один виртуальный фотон, который поглощается второй частицей. Эта диаграмма может быть лишь частью еще более сложной диаграммы, в которой две исходные частицы существуют лишь в течение какого-то промежутка времени, после чего превращаются еще во что-нибудь.
      Графическое изображение взаимодействия всех частиц имеет вид паутины со сложными переплетениями, отражающими многочисленные обмены между виртуальными частицами различных сортов. Силовое поле никогда не бывает статическим. В нем всегда присутствуют частицы-призраки, снующие туда-сюда, возникающие и исчезающие, вплетенные в трепещущую ткань энергии.
      На первый взгляд кажется, что бесконечная сложность всего происходящего исключает всякую надежду на понимание характера взаимодействий между реальными частицами, не говоря уже о возможности вычислений. К счастью, это впечатление обманчиво. Оказывается — во всяком случае в КЭД, — что по мере усложнения процессов их влияние на реальные частицы ослабевает. В рассмотренном примере рассеяния электрона на электроне основной вклад обусловлен обменом одним фотоном. Остальные процессы приводят лишь к небольшим поправкам. Обычно при вычислениях, если не требуется необыкновенно высокая точность, редко приходится учитывать вклад более чем трех-четырех простейших диаграмм.
      Представим себе, что в вакуум с его непрерывной активностью попадает новая частица. Ее мгновенно окутывает трепещущий покров энергии. Его нельзя наблюдать непосредственно, но представим себе, что у нас есть магический микроскоп, позволяющий обнаруживать любые виртуальные кванты. Взглянув в такой микроскоп, мы увидим “голую” частицу. Пусть это будет электрон. У внешнего края облака, окружающего частицу, снуют туда-сюда фотоны низкой энергии, зондируя пространство вокруг электрона, плутая в полупризрачном вакууме и сливаясь в заполняющее все пространство зыбкое море виртуальных квантов. По мере проникновения в облако, окружающее реальную частицу, возрастает энергия и активность виртуальных фотонов. Некоторые из фотонов время от времени превращаются в электрон-позитронные пары, которые вскоре вновь “сливаются” в фотон. Иногда происходит более сложный обмен, в котором участвует еще больше виртуальных частиц. Ближе к электрону облако буквально извергает энергию. Здесь фотоны перемешаны с более тяжелыми частицами; можно увидеть кварки, тяжелые лептоны и частицы — переносчики всевозможных взаимодействий.
 
       Рис.14. Сложное взаимодействие двух частиц, обусловленное обменом виртуальным фотоном, который “по ходу дела” взаимодействует с другими виртуальными частицами.
 
      Разглядывая открывающуюся в микроскоп картину под все большим увеличением, мы обнаружим, что по мере приближения к электрону энергия, заключенная в облаке, быстро и неограниченно возрастает. Это обстоятельство настораживает, ибо указывает на серьезный кризис.

Чудо КЭД

      Иногда говорят, что в науке каждый кризис приводит к рождению новой теории. Кризис, выявленный с помощью магического микроскопа, служит симптомом серьезного недостатка концепции поля. Несмотря на впечатляющие успехи, квантовая теория поля оказывается несостоятельной в одном решающем пункте.
      Трудность, о которой идет речь, берет начало в классической физике. Планета, например Земля, создает гравитационное поле, которое действует, скажем, на Луну. Но кроме того, гравитационное поле Земли оказывает воздействие и на саму Землю. Почва у нас над ногами сдавлена собственным гравитационным полем Земли. Такое "взаимодействие" является неизбежным следствием теории поля.
      Некогда полагали, что частица, подобная электрону, представляет собой уменьшенную копию Земли — крохотный твердый шарик с равномерно распределенным в нем электрическим зарядом. Подобно тому как Земля воздействует на себя собственной гравитацией, электрон должен воздействовать на себя своим электрическим полем. Однако гравитационное и электрическое взаимодействия имеют одно важное отличие: гравитация создает притяжение, которое удерживает вместе все части Земли; электрические силы внутри электрона создают отталкивание, которое стремится “разорвать” электрон на части. В этой связи возникает проблема: какие силы могли бы компенсировать электрическое отталкивание, обеспечив целостность электрона?
      С появлением теории относительности представление электрона в виде крохотного твердого шарика столкнулось с дополнительной трудностью, обусловленной предположением, что электрон — это твердое тело. Представьте себе, что вы ударили по сферическому мячу, в результате чего мяч полетел в определенном направлении. Если бы мяч был абсолютно твердым, то он двигался бы, не меняя формы. Для этого все участки мяча должны начать двигаться одновременно. Но такое предположение противоречит принципу, утверждающему, что никакое физическое воздействие не может распространяться быстрее света. Часть поверхности мяча, удаленная от точки удара, не чувствует удара и поэтому не реагирует на него, по крайней мере, пока ударная волна (которая распространяется со скоростью меньше скорости света) не пробежит через мяч. Наоборот, область мяча, близкая к точке удара, должна начать двигаться раньше остальной части мяча. Следовательно, мяч изменит форму; он не может быть абсолютно твердым. А если электрон можно сдавить и расплющить, то в принципе его можно и разорвать на части. Но в таком случае он не был бы элементарной частицей. Мы могли бы увидеть кусочки заряженного вещества различных форм и размеров, хотя в действительности электроны неразличимы.
      Чтобы избежать эту трудность, физики были вынуждены отказаться от представления об электроне как абсолютно твердом шарике. Электрон стали рассматривать как точку не имеющую структуры и размеров. Хотя подобная модель несколько смягчает остроту вопроса о том, что удерживает вместе отдельные части электрона, возникает новая трудность. Создаваемая заряженным телом электрическая сила меняется в зависимости от расстояния по закону обратных квадратов. С приближением к источнику поле возрастает. В случае точечного источника поле растет до бесконечности. Это означает, что полная электрическая энергия такой системы будет бесконечной.
      Бесконечная величина энергии поля точечного электрона, казалось бы, наносит смертельный удар теории ноля: если бы электрон обладал бесконечной энергией, то он был бы бесконечно тяжелым, что абсурдно. Теоретики оказались перед выборам:
      либо отказаться от представления о точечном электроне, либо найти выход из тупика. И выход действительно был найден, хотя некоторые сочли его чем-то вроде жульничества. Он известен ныне как “перенормировка”.
      Представим себе, что мы как-то исхитрились “выключать” заряд электрона С исчезновением заряда исчезнет и создаваемое им поле, и соответствующая электрическая энергия. То, что при этом осталось, уместно назвать “голым” электроном, с которого сорвано окутывающее его электромагнитное поле. Какова же масса “голого” электрона? Наблюдаемаямасса реального электрона состоит как бы из двух частей — массы “голого” электрона и массы, соответствующей энергии электрического поля. Трудность заключается в том, что масса, соответствующая энергии электрического поля, при вычислении оказывается бесконечной. Такой результат был бы бессмысленным, если бы мы действительно могли “выключить” электрический заряд электрона, поскольку ни одна физическая -величина не может получать бесконечно большое приращение. Но заряд электрона нельзя выключить. Наблюдая электрон, мы воспринимаем его в целом: и поле, и все остальное. Наблюдаемаямасса, разумеется, конечна. Так стоит ли всерьез беспокоиться, если вычисления показывают, что неотделимая часть массы электрона обращается в бесконечность?
      Некоторых это действительно беспокоит, но не слишком серьезно. Возникновение в уравнениях теории бесконечных членов — своего рода предупреждение о том, что не все в порядке, но если бесконечности не появляются в наблюдаемых величинах, то их можно просто игнорировать и продолжить вычисления. При этом необходимо изгнать бесконечности из формул, чтобы продолжить пользоваться ими. Для этого теоретик просто смещает, “перенормирует”, нулевую точку на шкале измерения масс, сдвигая ее на бесконечно большую величину. В какой-то степени это похоже на договоренность отсчитывать высоту полета самолета не от уровня моря, а от уровня земной поверхности, только в случае электрона такое смещение имеет бесконечную величину. При этом теоретик ссылается на то, что положение нуля несущественно, поскольку на шкале масс нет выделенного начала отсчета; любой сдвиг — даже на бесконечно большую величину — в нашей власти и ненаблюдаем в реальном, физическом мире.
      Благодаря этому хитроумному приему из описания электрона удается исключить бесконечные члены, которые поначалу грозили низвести теорию до абсурда. Однако на этом неприятности, связанные с квантовым описанием точечного электрона, не кончились. Возникла проблема, связанная с природой виртуальных фотонов.
      Как мы уже знаем, каждый электрон окружен облаком трепещущей энергии, которое содержит множество всевозможных виртуальных частиц. Рассмотрим подробнее, как возникает это облако. Первоначально виртуальные фотоны были введены, чтобы дать квантовое описание того, как один электрон сигнализирует другому, что собирается воздействовать на него. Однако изолированный электрон может воздействовать с помощью виртуальных фотонов и на самого себя.В классической теории подобное самодействие также существует и приводит к возникновению бесконечных членов в уравнениях, описывающих поведение точечного электрона. Квантовое описание самодействия, образно говоря, означает, что электрон посылает фотоны самому себе. Диаграмма, изображающая это самодействие, изображена на рис.15; На ней показано, как испущенный электроном виртуальный фотон после непродолжительного путешествия в пространстве, возвращается назад и поглощается тем же электроном. Представление о подобном “круговороте” фотона может вызвать удивление. Но не следует забывать, что основанные на здравом смысле представления не имеют силы в квантовом мире, где крушение привычных устоев вполне обычно.