Рис. 6. Стандартная модель физики элементарных частиц
Стандартная модель – это изящный конструкт абстрактной математики, квантовой теории поля с калибровочными симметриями. Раньше я думала, что произвожу впечатление высокообразованной, когда произношу это. Но потом заметила, что непонятное имеет тенденцию навлекать на себя подозрение. Как это мы так уверены, что все состоит лишь из двадцати пяти частиц, если не можем увидеть большинство из них?
Ответ предельно прост. Мы используем всю эту математику, чтобы просчитать результаты экспериментов, и эти вычисления корректно описывают наблюдения. Вот как мы узнаем, что теория работает. Собственно, это же мы и подразумеваем под словами «теория работает». Да, это абстрактно, но то, что мы видим только показания детекторов, а не сами частицы, – не имеющее значения неудобство. Единственное, что имеет значение: математика дает правильные результаты.
То, что Стандартная модель есть вид квантовой теории поля, звучит страшнее, чем есть на самом деле. Поле приписывает значение каждой точке пространства в каждый момент времени. Например, интенсивность сигнала вашего мобильного телефона образует поле. Когда мы называем поле квантовым, мы подразумеваем, что поле на самом деле описывает наличие частиц, а частицы – как мы уже обсуждали – суть квантовые сущности. Квантовое поле как таковое говорит вам, с какой вероятностью вы можете обнаружить определенную частицу в том или ином месте в то или иное время. А уравнения квантовой теории поля подсказывают, как это вычислить.
Вдобавок к калибровочным симметриям Стандартная модель также использует симметрии, открытые Альбертом Эйнштейном в его специальной теории относительности. Согласно Эйнштейну, три пространственных измерения и временно́е должны быть объединены в четырехмерное пространство-время и с пространством и временем нужно обращаться одинаково. Следовательно, законы природы (1) не должны зависеть от того, где и когда вы их измеряете, (2) не должны изменяться при пространственных вращениях, (3) не должны изменяться при четырехмерных вращениях в пространстве-времени.
Пространственно-временные вращения звучат нездоро́во, но на самом деле это просто изменения скорости. Вот почему научно-популярные книги о специальной теории относительности полны космических кораблей и спутников, пролетающих друг мимо друга. Но в действительности все это ненужные декорации. Специальная теория относительности вытекает из трех типов симметрии, перечисленных выше, без всяких там близнецов в космических кораблях, лазерных часов и прочего. Еще оттуда следует, что для всех наблюдателей скорость безмассовых частиц (таких как фотоны, переносчики света) одинакова и ничто не в состоянии превысить эту скорость. Иными словами, ничто не может двигаться быстрее света[38].
Калибровочные симметрии и симметрии специальной теории относительности определяют бо́льшую часть структуры Стандартной модели, но у последней есть некоторые особенности, которые мы не сумели (пока?) объяснить симметриями. Например, одна из таких особенностей состоит в том, что фермионы бывают трех поколений, представляющих из себя наборы похожих частиц со все возрастающими массами (фермионы первого поколения – самые легкие, третьего – самые тяжелые, второго – посередине). Другая необъясненная особенность: фермионы каждого типа бывают двух разновидностей – их называют левыми и правыми, – представляющих собой зеркальные отражения друг друга. Кроме нейтрино, правой разновидности которых никто никогда не видел. Мы подробнее обсудим, что еще не так со Стандартной моделью, в четвертой главе.
Разработка Стандартной модели началась в 1960-х годах и по большей части была завершена к концу 1970-х. Помимо фермионов и калибровочных бозонов в Стандартной модели есть еще только одна частица – бозон Хиггса, придающий массу остальным элементарным частицам[39]. Стандартная модель работает и без хиггсовского бозона, просто она тогда не описывает реальность, ибо все частицы оказываются безмассовыми. Поэтому-то Шелдон Глэшоу однажды очаровательнейшим образом назвал бозон Хиггса «отхожим местом» Стандартной модели, придуманным с определенной целью, а не для красоты 53.
Хиггсовский бозон, независимо предложенный несколькими исследователями в начале 1960-х, был последней открытой (в 2012 году) фундаментальной частицей, но не последней предсказанной. Последними предсказанными (в 1973-м) частицами были истинный и прелестный кварки, чье существование было экспериментально подтверждено в 1995 и 1977 годах соответственно. В конце 1990-х добавились массы нейтрино – существование самой частицы было доказано в 1950-х – после экспериментов, подтвердивших, что нейтрино имеют ненулевую массу. Однако с 1973 года не было больше ни одного успешного нового предсказания, которое бы пришло на смену Стандартной модели.
* * *Стандартная модель – это пока наш лучший ответ на вопрос «Из чего мы сделаны?». Но она не объясняет гравитацию. Все потому, что специалистам по физике элементарных частиц не нужно учитывать гравитацию, делая предсказания для экспериментов на ускорителях: массы отдельных элементарных частиц ничтожны, поэтому незначительно и их гравитационное притяжение. Гравитация – преобладающая сила на больших расстояниях, а на коротких, исследуемых при столкновениях частиц, она пренебрежимо, почти неизмеримо, мала. Однако, в то время, как все остальные силы могут уравновесить друг друга (и уравновешивают), с гравитацией такое не проходит. Хотя для больших объектов все другие силы взаимно компенсируются и становятся незаметными, силы гравитации суммируются и, напротив, проявляют себя.
Еще гравитация стоит особняком, поскольку в наших действующих теориях это единственная (фундаментальная) сила, не обладающая квантовыми свойствами: она неквантуема, мы называем такие силы «классическими». Мы увидим, какие проблемы это доставляет, в седьмой главе, но сначала позвольте мне рассказать вам, что мы знаем о гравитации и как это знание обрели.
Пока специалисты по физике элементарных частиц строят все бо́льшие коллайдеры, чтобы прощупать все меньшие расстояния, астрономы конструируют все бо́льшие телескопы, чтобы заглянуть все глубже в космос[40]. Первые телескопы создавались бок
