Поля и частицы – одно и то же

Вскоре после завершения общей формулировки квантовой механики Дирак понимает, что эта теория может быть непосредственно применена к полям, таким как электромагнитное, и ее можно сделать совместимой со специальной теорией относительности. (Добиться совместимости с общей теории относительности окажется значительно труднее, и это главная тема нашей книги.) Осознав это, Дирак открывает глубокую скрытую простоту нашего описания природы – конвергенцию между понятием частицы, которое использовал Ньютон, и понятием поля, которое ввел Фарадей.

Облако вероятности, соответствующее электрону в интервале от одного взаимодействия до другого, напоминает поле. Поля Фарадея и Максвелла, в свою очередь, состоят из крупиц – фотонов. Не только частицы в некотором смысле размазаны по пространству как поля, но и поля взаимодействуют как частицы. Понятия полей и частиц, разделенные Фарадеем и Максвеллом, вновь сливаются в квантовой механике.

Способ, которым это делается в теории, весьма элегантен: уравнения Дирака определяют значения, которые может принимать переменная. Будучи применены к энергии фарадеевых линий, они говорят нам, что эта энергия может иметь одни значения, но не другие. Поскольку энергия электромагнитного поля принимает лишь определенные значения, поле ведет себя как набор пакетов энергии. Это как раз и есть кванты энергии, введенные в рассмотрение Планком и Эйнштейном тридцатью годами ранее. Круг замкнулся, история закончена. Уравнения теории, выведенные Дираком, описывают зернистую природу света, о которой догадались Планк и Эйнштейн.

Электромагнитные волны – это вибрации фарадеевых линий, но также, в микроскопическом масштабе, стаи фотонов. Когда они взаимодействуют с чем-то другим, как при фотоэлектрическом эффекте, они ведут себя как частицы: для нашего глаза свет подобен дождю из отдельных капель, единичных фотонов. Фотоны – это кванты электромагнитного поля.

Но электроны и все остальные частицы, из которых состоит мир, точно так же являются квантами поля. И этому «квантовому полю», как и полю Фарадея – Максвелла, присущи зернистость и квантовая вероятность. Дирак выводит уравнение для поля электронов и других элементарных частиц[75]. Введенное Фарадеем четкое разделение между полями и частицами исчезает.

Общая форма квантовой теории, совместимая со специальной теорией относительности, называется квантовой теорией поля, и она составляет основу современной физики элементарных частиц. Частицы – это кванты поля, так же как фотоны – кванты света. Все поля при взаимодействии демонстрируют зернистую структуру.

В течение XX столетия список фундаментальных полей неоднократно обновлялся, и сегодня мы располагаем теорией, которая называется Стандартной моделью элементарных частиц и описывает почти всё, что мы видим, за исключением гравитации[76] в контексте квантовой теории поля. Выработка этой модели заняла у физиков большую часть прошлого века, и это было замечательное приключение, полное открытий. Я не буду подробно останавливаться на этом, а предпочту сосредоточиться на квантовой гравитации. Стандартная модель была завершена к 1970-м годам. Существует около пятнадцати полей, кванты которых являются элементарными частицами (это электроны, кварки, мюоны, нейтрино, бозоны Хиггса и кое-что еще), плюс несколько полей, подобных электромагнитному, которые описывают электромагнитное взаимодействие и другие силы, действующие в ядерных масштабах, кванты которых подобны фотонам.

Поначалу Стандартную модель не воспринимали слишком серьезно, поскольку она в каком-то смысле была слеплена на коленке и сильно отличалась от воздушной простоты уравнений общей теории относительности Максвелла и Дирака. Вопреки ожиданиям, однако, все ее предсказания подтвердились. В течение более чем 30 лет буквально каждый эксперимент в области физики элементарных частиц не приносил ничего, кроме очередного подтверждения Стандартной модели. Самое свежее ее подтверждение – открытие бозона Хиггса, которое стало сенсацией в 2013 году. Поле Хиггса, введенное для того чтобы добиться согласованности теории, было до некоторой степени искусственной придумкой, пока не удалось экспериментально пронаблюдать бозон Хиггса, квант этого поля, и не оказалось, что он имеет в точности те свойства, которые предсказывались Стандартной моделью[77]. (То, что его стали называть частицей Бога, настолько недостойно, что даже не заслуживает комментария.) Короче, несмотря на незаслуженно скромное название, Стандартная модель – это триумф физики.

Квантовая механика с ее полями и частицами предлагает сегодня поразительно эффективное описание природы. Мир состоит не из полей и частиц, но из единственной сущности – квантового поля. Больше нет частиц, которые движутся в пространстве с течением времени, но есть квантовые поля, элементарные события которых происходят в пространстве-времени. Наш мир странный, но простой (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Из чего состоит мир?