Но, заметьте, Тонг называет ложью представление о том, что кирпичики природы представлены дискретными частицами, утверждая, что настоящими кирпичиками наших теорий являются поля. То есть он приравнивает окончательную реальность к математической абстракции в рамках наиболее модной современной теории. Это значит, что, когда сменится мода, реальность тоже изменится.
Тонг открывает нам свое понимание популярного среди современных физиков-теоретиков мнения. Физики считают, что символы их математических формул отражают истинную реальность, в то время как наблюдаемые нами феномены, всегда выглядящие как локализованные частицы, — это всего лишь способ, которым реальность проявляет себя. В общем, это современные платоники. Важно отметить, что такие великие ученые XX века, как Поль Дирак и Ричард Фейнман, не принадлежали к этой школе. Да и не все современные теоретики являются сторонниками «полевого платонизма».
В своей книге «Скрытая реальность», вышедшей в 2011 году, физик и знаменитый автор научно-популярной литературы Брайан Грин так высказался по поводу частиц и реальности:
«Я считаю, что физическая система полностью определяется тем, как скомпонованы частицы, из которых она состоит. Скажите мне, какие возможные конфигурации допустимы для частиц, составляющих нашу планету, Солнце, галактику и все остальное, и вы совершенно отчетливо опишете окружающую действительность. Такой редукционистский подход довольно широко распространен среди физиков, но тем не менее, конечно же, есть люди, думающие иначе»
.
Никто не утверждает, что нужно представлять частицы стандартной модели в виде классического миллиарда шариков. Но, как отмечает философ Майнард Кульман, квантовые поля также не стоит рассматривать как классические поля, такие как поля, описывающие плотность газа. Он пишет:
«Почему столь фундаментальная полемика может вестись по вопросам столь успешной эмпирически проверенной теории, как квантовая теория поля? Ответ лежит на поверхности. Хотя теория говорит нам, что мы можем измерить, она кажется туманной, когда дело касается природы любых сущностей, порождающих результат наших наблюдений. Теория объясняет наши наблюдения на языке кварков, мюонов, фотонов и различных квантовых полей, но она не говорит нам, что такое в действительности фотон или квантовое поле Она и не должна, поскольку физические теории могут быть эмпирически справедливыми в большинстве случаев без постановки таких метафизических вопросов».
Кульман описывает распространенную среди наиболее упрямых экспериментаторов позицию, хотя и не утверждает, что сам придерживается такого мнения. Он представляет все альтернативные точки зрения, со всеми «за» и «против».
Для многих ученых этого достаточно. Они занимают так называемую инструменталистскую позицию, отрицая, что научные теории предназначены прежде всего для того, чтобы отображать мироустройство. Для них теории — всего лишь инструмент для предсказания результатов экспериментов.
Другие же проявляют несколько большую гибкость.
Однако большинство ученых в глубине души полагают, что их теории все же описывают по крайней мере некоторые аспекты природы как таковой до тех пор, пока не будет проведено измерение. В конце концов, ради чего еще заниматься наукой, если не для познания мира?
Я добавлю только, что, если теория хотя бы в принципе не подразумевает какой-либо наблюдаемый эффект, она не может быть проверена и нам нет особого смысла считать, что она правильно моделирует действительность. Такая теория может представлять интерес с математической или философской точки зрения, однако ее положения будут не очень хорошими кандидатами на роль «аспектов природы».
Хоть я и не могу доказать, что частицы являются элементами окончательной реальности, по крайней мере то, что мы наблюдаем при проведении экспериментов, выглядит скорее как локализованные частицы, и это намного доступнее для понимания, чем трансцендентные квантовые поля. В конце концов, астрономические тела похожи на частицы, если смотреть на них с достаточно большого расстояния, но мы не подвергаем сомнению их реальность. Итак, с чисто практической точки зрения можно считать, что частицы реальны, пока данные наблюдений не скажут нам обратное.
Более того, как мы узнали из главы 6, волноподобные феномены, связанные с частицами в квантовой механике и квантовой теории поля, — это свойства не отдельных частиц, а их групп. Выражение «корпускулярно-волновой дуализм» неточно описывает данные наблюдений. Отдельная частица никогда не ведет себя как волна.
Часто можно услышать, что квантовая механика свергла редукционизм и заменила его новым холистическим подходом, в котором все вещи взаимосвязаны. Это не так. Физики, да и вообще все ученые, в частности врачи, продолжают делить материю на части, которые можно исследовать независимо. После короткого увлечения холизмом в 1960-е годы физики, впечатленные успехом стандартной модели, вернулись к редукционистскому методу, который так хорошо служил им в течение всей истории науки, от Фалеса и Демокрита до наших дней.
Рождение астрофизики частиц
Как мы узнали из главы 10, к 90-м годам XX века ядерная астрофизика с помощью модели первичного нуклеосинтеза успешно описывала процесс образования легких ядер в период, когда возраст Вселенной составлял 1 с. Рассчитанная распространенность ядер химических элементов точно согласовывалась с данными наблюдений, в том числе это касалось очень тесной связи между распространенностью дейтронов и барионной плотностью. Глядя на эти результаты, любому пришлось бы согласиться с тем, что Большой взрыв действительно произошел.
А пока этот процесс продолжался, астрофизики частиц (по большей части все те же люди во главе с Дэвидом Шраммом) с помощью новой стандартной модели элементарных частиц начали описывать то, что могло происходить, пока возраст Вселенной еще не достиг 1 с. Они приняли концепцию нарушения симметрии, которая стала фундаментальной составляющей физики, чтобы охарактеризовать серию фазовых переходов, происходивших, начиная с самого первого определимого момента Вселенной. При достижении критических значений температуры Вселенная совершала фазовый переход — подобно тому, как вода замерзает, становясь льдом, — от более высокой к более низкой симметрии с различными наборами частиц и сил, появляющимися вместе с новой симметрией.
Вспомним, что до истечения 1 с, когда температура составляла порядка 1 МэВ, Вселенная находилась в квазиравновесном состоянии, представляя собой смесь из примерно равного количества электронов, нейтрино, антинейтрино и фотонов, а также протонов и нейтронов, которых было в миллиард раз меньше. Из последних позже, когда Вселенная остыла и равновесие больше не могло поддерживаться, сформировались ядра легких элементов.
Давайте вернемся еще дальше во времени, до 10-6 с, когда температура равнялась 1 ГэВ. Этот период все еще относится к эпохе, которую мы можем описать с позиции известных нам физических процессов как теоретически, так и эмпирически, так что это не просто спекуляция. Перед самым этим моментом Вселенная состояла из элементарных частиц, перечисленных в табл. 11.1, тогда не было ни протонов, ни нейтронов, ни вообще составных адронов какого-либо типа. Однако кварки не были свободными (в квантовой хромодинамике они и не бывают свободными), их наряду с глюонами удерживал заполняющий Вселенную густой «суп», называемый кварк-глюонной плазмой. Когда температура опустилась примерно до 1 ГэВ, произошел спонтанный фазовый переход, при котором образовались адроны с нулевым цветовым зарядом. В 1960-е годы мы с коллегами изучали их на ускорителях частиц. В ранней Вселенной было мало адронов, кроме протонов и нейтронов, но только потому, что они имели очень короткое время жизни.
