Языком теоретической физики служат математические уравнения. В физике чрезвычайно сложно зачать новую теорию, иначе как написав для неё одно или несколько уравнений. Уравнения Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения Эйнштейна, уравнение Шрёдингера являются важнейшими примерами этого. Математический каркас физики элементарных частиц называется квантовой теорией поля. Это сложный предмет, изобилующий весьма абстрактными уравнениями. Уравнения квантовой теории поля настолько сложны, что порой складывается впечатление, будто они не являются правильными – не может же правильная теория быть настолько сложной. К счастью для нас, великий Ричард Фейнман испытывал те же чувства, глядя на уравнения квантовой теории поля, и чтобы упростить понимание теории, он придумал изящный способ изображать эти уравнения в виде картинок. Метод Фейнмана настолько интуитивно понятен, что позволяет изложить основы квантовой теории поля без единого уравнения.
Дик Фейнман был гением визуализации (что не мешало ему прекрасно разбираться и в уравнениях): он создавал мысленные иллюстрации для всего, над чем работал. В то время как иной физик исписывал всю доску формулами в попытке вывести какое-нибудь свойство элементарных частиц, Фейнману достаточно было нарисовать картинку, и ответ становился очевиден сам собой. Он был магом, клоуном и хвастуном, но придуманная им магия позволяла формулировать Законы Физики простым и понятным любому способом. Фейнмановские диаграммы – это буквально фотографии событий, которые происходят при перемещении частиц в пространстве, столкновениях и взаимодействиях. Фейнмановская диаграмма может содержать всего несколько линий, описывающих столкновение двух электронов, или, напротив, быть обширной сетью взаимосвязанных ветвлений, замкнутых траекторий, описывающей все частицы, составляющие кристалл алмаза, живое существо или астрономическое тело. Эти диаграммы могут быть редуцированы до нескольких основных элементов, в которых заключено всё, что нам известно об элементарных частицах. Разумеется, это больше, чем просто фотографии, – в реальности за каждой диаграммой стоят технические детали, описывающие, что делать дальше, чтобы выполнить точный расчёт, но это не столь важно. В нашем случае одна картинка стоит тысячи уравнений.
Квантовая электродинамика
Квантовая теории поля начинается с кастинга персонажей, а именно со списка элементарных частиц. В идеале список должен включать все элементарные частицы, но это непрактично: мы более чем уверены, что мы даже не знаем полного списка. Но составив неполный список, мы не слишком много потеряем. Это как в театральном представлении: в реальности каждый рассказ касается любого человека на земле, его прошлого и настоящего, но только сумасшедший драматург станет писать пьесу с несколькими миллиардами действующих лиц. Для каждой конкретной истории одни персонажи важнее других, и то же самое верно для физики элементарных частиц.
Авторская пьеса, сочинённая Фейнманом, называлась Квантовая электродинамика, или, для краткости, КЭД, и в ней было всего два действующих лица: электрон и фотон. Позвольте мне их представить.
Электрон
В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томпсон открыл первую элементарную частицу. Электричество уже было хорошо известно к тому моменту, но эксперименты Томпсона стали первыми, подтвердившими, что электрический ток представляет собой движение отдельных заряженных частиц. Этими движущимися частицами, питающими тостеры, лампочки и компьютеры, являются, конечно же, электроны.
Эффекты, создаваемые электронами, трудно превзойти по драматизму. Когда гигантские молнии прочерчивают небосвод, электроны перетекают из одного заряженного облака в другое. Раскаты грома порождаются ударной волной, возникающей в результате быстрого расширения воздуха, нагреваемого столкновениями электронов молнии с молекулами воздуха. Вспышка молнии – это электромагнитное излучение, порождённое ускоряющимися и тормозящимися электронами. Крошечные искры и треск, вызываемые статическим электричеством в сухой день, являются проявлениями тех же физических процессов, только в меньших масштабах. Даже обычная бытовая электроэнергия – это не что иное, как тот же поток электронов, прирученный и запертый в медных проводах.
Каждый электрон имеет точно такой же электрический заряд, как и другие электроны. Заряд электрона невероятно мал, необходимо огромное число электронов – около 1019 в секунду, – чтобы создать ток в один ампер. Есть одна странность в величине заряда электрона, которая смущала многие поколения студентов, изучавших физику: заряд электрона отрицателен. Почему? Есть ли в электроне что-либо принципиально отрицательное? В действительности отрицательность заряда электрона не является каким-то особым свойством этой частицы, это всего лишь результат произвольного соглашения. История этого соглашения восходит к Бенджамину Франклину,
[21] который был первым физиком, предположившим, что электрический ток представляет собой поток заряженных частиц. Но Франклин ничего не знал об электронах и выбрал за направление электрического тока то, которое оказалось противоположным направлению движения электронов. В силу традиции остается таким же выбранное Франклином направление тока, а заряд электрона – отрицательным. Как следствие, мы, профессора физики, вынуждены постоянно напоминать студентам, что когда электрический ток течёт слева направо, электроны движутся справа налево. Если это доставляет вам неудобства, вините во всём Бена Франклина.
Если вдруг все электроны внезапно исчезнут, то это приведёт к гораздо более катастрофическим последствиям, чем неработающие тостеры, лампочки и компьютеры. Электроны играют в природе очень важную роль. Всё обычное вещество состоит из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов, вращающихся вокруг атомных ядер как раскидайчики на резинках. Атомные электроны определяют химические свойства всех элементов таблицы Менделеева. Квантовая электродинамика – это гораздо больше, чем теория электронов: она является основой для теории всей материи.
Фотон
Если электрон – это маркиз Карабас драмы КЭД, то фотон – несомненно, Кот в сапогах. Именно благодаря ему электрон добивается всех своих успехов. Процесс излучения света молнией можно разложить на микроскопические события, в которых отдельные электроны, ускоряясь или тормозясь, «стряхивают» с себя фотоны. Весь сюжет КЭД вертится вокруг одной основной репризы: излучения одиночных фотонов одиночными электронами.
Фотоны также играют незаменимую роль и в атоме. В определённом смысле, который станет вам понятен позднее, фотоны являются теми верёвками, тросами, которые притягивают электроны к ядру. Если бы фотоны были внезапно исключены из списка элементарных частиц, каждый атом мгновенно распался бы.
Ядра
Одна из главных целей создания КЭД состояла в объяснении некоторых свойств простых атомов, и в первую очередь атома водорода. Почему именно водорода? Атом водорода, имея всего один электрон, настолько прост, что уравнения квантовой механики могут быть решены для него аналитически. Для более сложных атомов с многими электронами, влияющими друг на друга, решения могут быть получены только с помощью мощных компьютеров, которых не существовало, когда создавалась КЭД. Но для изучения любого атома в список действующих лиц должен быть добавлен ещё один персонаж – ядро. Ядра состоят из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Эти две частицы очень похожи друг на друга, за исключением того, что нейтрон не имеет электрического заряда. Физики используют для этих двух частиц обобщающее название: нуклон. Ядро, по сути, является каплей слипшихся нуклонов. Структура любого ядра, даже ядра атома водорода, настолько сложна, что физики, подобные Фейнману, решили игнорировать её. Вместо этого они сосредоточились на гораздо более простой физике электрона и фотона. Но они не могли полностью исключить ядро из рассмотрения, поэтому ввели его в пьесу не как актёра, а как сценический подмосток. Это стало возможным по двум причинам.
