Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье Страница 25

никто не знает. Мы можем лишь видеть, что модель хорошо описывает результаты экспериментов; в частности, существование этих трех семейств подразумевает наличие неких тонких симметрий в модели, которые нельзя было бы наблюдать, если бы существовало только одно или два семейства и которые действительно были экспериментально замечены.

Массы частиц, интерпретируемые как интенсивность их взаимодействия с полем Хиггса, являются свободными параметрами теории наряду со всеми другими интенсивностями. Мы, к сожалению, можем их измерить только экспериментальным путем. Таким образом, всего можно насчитать 27 свободных параметров теории, которые поддаются экспериментальной корректировке. Математический аппарат теории фундаментальных взаимодействий хорошо формализован и изучен, но почему он именно такой, а не какой-то другой?

Итак, мы имеем в руках связную и мощную теорию, которая была проверена десятками разнообразных измерений и ни разу не доказана ошибочной, по крайней мере на малых масштабах расстояния, в мире элементарных частиц. Единственное «но», с чем нам придется смириться, — это некоторая доля произвольного выбора, возникающего из необходимости экспериментального определения свободных параметров модели[73].

Но где же гравитация?

Еще один недостаток: современная квантовая теория поля не включает в себя гравитацию. Ее описание вполне себе существует в рамках классической общей теории относительности, которую нам так и не удалось переписать в квантовой версии. Это не имеет никакого значения в мире элементарных частиц, где гравитационные силы чрезвычайно слабы по сравнению с другими взаимодействиями. В человеческом масштабе обе теории могут сосуществовать, не общаясь: наши частицы, атомы подчиняются Стандартной модели, тогда как тело в целом подчиняется гравитации. В масштабе звезды эти две теории все еще хорошо разделены и влияют друг на друга лишь через глобальные, простые эффекты, такие как сохранение энергии.

Однако существует серьезная проблема: астрономические наблюдения показывают, что поведение галактик, их скоплений и Вселенной в целом не подчиняется законам Стандартной модели и общей теории относительности. Это не тот случай, когда пара «Стандартная модель плюс общая теория относительности» кажется неправильной в этих масштабах, но она оказывается, по крайней мере, неполной. Чтобы получить верное описание Вселенной, эти две теории необходимо дополнить несколькими компонентами и, в частности, объяснить, что скрывается за знаменитой «темной материей» и не менее известной «темной энергией». Благодаря точным астрономическим измерениям мы почти уверены, что эти две сущности не могут быть описаны нынешней Стандартной моделью и нынешней общей теорией относительности. Можно привести различные модели для их обозначения, но ни одна из них не описывает всего, да к тому же они не в состоянии решить многие проблемы одновременно. Ни одна модель не превосходит другие; следовательно, ни одна не достигла статуса новой Стандартной модели.

Итак, с одной стороны, у нас есть две теории, которые не взаимодействуют друг с другом, а с другой — есть необъяснимые наблюдения. Большинство физиков считает, что когда-нибудь будет найдено общее решение этих двух проблем: и квантовой теории гравитации, и природы «темной материи» и «темной энергии». Кто знает, быть может, это решение будет заключаться в гораздо более масштабной «смене парадигмы», и мы — или наши внуки — начнем высмеивать наивность теорий XX в.

Окончательное уравнение?

Пока же мы продолжаем использовать этот неполный и несовершенный инструмент. Так происходит всегда, когда человек находится на переднем крае научного прогресса. Потребуется немало времени, проведенного в сомнениях, колебаниях, а также различных экспериментов, неправильных измерений, которые позже будут исправлены, более или менее хорошо написанных работ, бесплодных или плодотворных усилий, крупных или малых открытий в областях, очевидно, столь же различных, как космология и физика элементарных частиц на ускорителях, чтобы однажды вся эта мешанина из терминов могла быть заменена парой красивых символов, обозначающих элегантную и гармоничную теорию, такую как уравнение в начале этой главы:

Здесь ψ — фундаментальный объект природы, основная составляющая частиц, полей, скаляров, спиноров, солитонов, струн, мембран, кривизны, топологии…

А фундаментальный оператор

расшифровывается как основное уникальное правило, закон.

Это равенство = 0, потому что таков наш способ описания существования мира: объект, подчиненный закону. Траектория, равновесие. Внутри

может случиться очень многое. Энергия превратится в материю, кривизна пространства-времени станет энергией, флуктуации начнут развиваться, черные дыры — расти и испаряться, а сама Вселенная — рождаться и исчезать (или же, наоборот, оставаться вечной). Короче говоря, все содержится в .

Это реальность? Действительно ли существует Вселенная с подобным уравнением в качестве закона? Или это уравнение — всего лишь представление нашего времени, которое столь малые умы спроецировали на Вселенную или даже только на самих себя?

Вопрос увлекательный, но несколько напрасный, так как едва будет воздвигнуто это чудесное интеллектуальное здание, в его фундаменте появятся трещины. Новое крошечное измерение, которое не будет входить в известные рамки, или даже мысленный эксперимент, который укажет на какое-то внутреннее противоречие, и мы тут же добавим новые члены и новые параметры в уравнение

, тем самым отказавшись от его чистоты, которая на ту пору станет уже бесполезной, и продолжим работать дальше:

— до следующей научной революции, до следующей смены парадигмы…

Примечания

1

Евклид сформулировал закон отражения правильно, однако ошибался относительно направления распространения света, — он был уверен, что лучи «света» испускаются глазами!

2

Не очень долго: самая первая оценка скорости света была предложена в 1676 г. Олафом Ремером, заметившим, что когда Земля удалена от Юпитера на б0льшее расстояние, затмения спутника Юпитера Ио наблюдаются на 22 мин позднее расчетного времени. Еще один невероятный вывод! Ремер получил не очень точное (220 000 км/с), но конечное значение, правильное по порядку величины!

3

Закон преломления в своей оригинальной форме был получен Ферма из условия минимального времени движения для частицы, пересекающей границу раздела двух сред с различными скоростями движения. Этой частицей может быть, например, человек, идущий из точки А, расположенной в лесу, в точку Б, расположенную на поле, через границу лес/ поле. Если скорости движения по полю и в лесу различны, то в предположении минимального времени хода окажется, что оптимальная точка выхода на поле не лежит на прямой АБ. Решив простейшую систему уравнений, нетрудно получить в такой постановке задачи искомый закон преломления. — Прим. перев.

4

Возможно, использование y связано с желанием обобщить понятие ускорения на основе наиболее распространенного