Глава от книгата „От Ерос до Гая“
Есето е писано през 1953 г.
Превод: Лъчезар Томов
ОПИСАТЕЛНА ТЕОРИЯ
„Може би е изненадващо, че на симпозиума не беше съобщено за нов мезон, въпреки че почти месец беше изминал от предишната среща на ядрените физици в Копенхаген.“ Тази научна шега в британското списание Nature, коментираща международна конференция по физика миналото лято, обобщава настоящата хаотична ситуация в теоретичната физика. Свикнахме през последните няколко години с откриването на нови частици. Вече са известни около двадесет различни вида. Всеки очаква, че ще бъдат открити още много, тъй като експерименталните техники се усъвършенстват. И все пак никой не е успял да класифицира известните частици или да предскаже свойствата на неизвестните. Никой не разбира защо съществуват такива и такива частици, защо имат различни маси, които се наблюдават, или защо някои от тях взаимодействат силно, а други не.
Как прекарват времето си теоретичните физици, ако не могат да се справят с основния проблем на естеството на елементарните частици? За какво могат да бъдат полезни съществуващите теории, ако не хвърлят светлина върху този проблем? Тези неудобни въпроси често се задават, когато експериментални и теоретични физици се събират. Ще се опитам да им отговоря и да обясня защо теоретичните физици вярват, че техните теории са полезни, въпреки че има толкова много, което те не разбират.
Първо, нека изясня една точка. Съществува общоприета теория на елементарните частици, известна като квантова теория на полето. Докато теоретичните физици често не са съгласни относно детайлите на теорията, и особено за това как тя трябва да се прилага към практическите проблеми, голямото мнозинство е съгласно, че теорията в своите основни характеристики е правилна. Малцинството, което отхвърля теорията, въпреки че е водено от велики имена като Алберт Айнщайн и Пол Дирак, все още няма никаква работеща алтернатива, която да я замени. В тази глава приемам гледната точка на мнозинството. Когато говоря за понятието „поле“, имам предвид понятието, както се използва в съвременната квантова теория на полето. Мнозинството вярва, че това понятие е толкова полезно и осветляващо, че ще оцелее при промените и революциите, които теорията неизбежно ще претърпи в бъдеще. Отсега нататък пропускам фразата „според мнозинството“ или „според моето мнение“, която би трябвало да стои в началото на всяко изречение.
След това, един коментар за целта на теорията. Това се отнася до неуспеха на теорията да ни даде разбиране защо съществуват наблюдаваните частици и не други. Въпросът е, че теорията е описателна, а не обяснителна. Тя описва как се държат елементарните частици; не се опитва да обясни защо се държат така. За да направим аналогия с позната наука, функцията на химията, каквато съществуваше преди 1900 година, беше да описва точно свойствата на химичните елементи и техните взаимодействия. Химията описваше как се държат елементите; тя не се опитваше да обясни защо съществува определен набор от елементи, всеки с определени свойства. За да отговорим на „защо“, бяха нужни напълно нови науки: атомната и ядрената физика. Поглеждайки назад, сега е ясно, че химиците от XIX век бяха прави да се съсредоточат върху „как“и да игнорират „защо“. Те не разполагаха с инструментите, за да започнат да обсъждат разумно причините за индивидуалността на елементите. Трябваше да прекарат сто години, изграждайки добра описателна теория, преди да могат да продължат напред. И резултатът от техния труд – класическата наука на химията – не беше унищожен или заменен от по-късното прозрение, което атомната физика даде.
Квантовата теория на полето третира елементарните частици точно както химията от XIX век третираше елементите. Теорията започва от съществуването на специфичен списък от елементарни частици с определени маси, спинове, заряди и взаимодействия помежду си. Всички тези данни се въвеждат в теорията в началото. Целта на теорията е да се направи заключение какво ще се случи, ако частица A бъде изстреляна към частица B с дадена скорост. Все още не сме сигурни дали теорията ще може да изпълни дори тази скромна цел. Много технически трудности все още трябва да бъдат преодолени. Една от трудностите е, че все още нямаме пълен списък на частиците. Въпреки това, успехите на теорията в описването на експериментални резултати са впечатляващи. Изглежда вероятно, че теорията в нещо като настоящата си форма ще описва точно широк спектър от възможни експерименти. Това е най-многото, което бихме искали да твърдим за нея.
Нашето оправдание за съсредоточаване върху съществуващата теория, с многото ѝ произволни предположения, е вярването, че работеща описателна теория на елементарните частици трябва да бъде установена, преди да можем да очакваме да достигнем по-пълно разбиране на по-дълбоко ниво. Многобройните опити да се заобиколи историческия процес и да се разберат частиците въз основа на общи принципи, без да се чака описателна теория, се оказаха толкова неуспешни, колкото бяха амбициозни. Колкото по-амбициозни са, толкова по-неуспешни. Тези опити изглеждат на едно ниво с известните опити от XIX век да се обяснят атомите като „вихри в етера“.
КЛАСИЧЕСКИ ПОЛЕТА
Физиците говорят за два вида полета: класически полета и квантови полета. Всъщност вярваме, че всички полета в природата са квантови полета. Класическото поле е просто едромащабна проява на квантово поле. Но тъй като класическите полета бяха открити първи и са по-лесни за разбиране, е полезно да кажем първо какво имаме предвид под „класическо поле“, и да говорим за квантови полета по-късно.
Класическо поле е вид напрежение или стрес, което може да съществува в празното пространство при отсъствието на материя. То се проявява чрез създаване на сили, които действат върху материални обекти, които случайно се намират в пространството, което полето заема. Стандартните примери за класически полета са електрическите и магнитните полета, които бутат и дърпат електрически заредени обекти и магнетизирани обекти съответно. Майкъл Фарадей откри, че тези две полета също оказват влияние едно върху друго. Той установи, че променящо се магнитно поле произвежда електрически сили (ефект, известен сега като индукция), и неговото откритие направи възможно разработването на практически електрически генератори.
По-късно точните закони за поведението на електрическите и магнитните полета бяха формулирани математически от Джеймс Кларк Максуел. Той откри, че във всяко пространство, където съществува променящо се магнитно поле, трябва също да съществува електрическо поле и обратното. За да се опише напълно състоянието на полетата в дадена област на пространството, е необходимо да се определи силата и посоката на електрическото и магнитно поле във всяка нейна точка.
Максуел е първият, който осъзна, че електрическите и магнитните полета могат да съществуват не само близо до заряди и магнити, но също така и в свободното пространство, несвързани с материални обекти. От своите уравнения той заключи, че в празното пространство такива полета ще се разпространяват със скоростта на светлината. Следователно той направи епохално предположение, че светлината се състои от пътуващи електромагнитни полета. Сега знаем, че неговото предположение беше правилно, и сме в състояние сами да генерираме пътуващи електромагнитни полета и да ги използваме за различни цели. Тези изкуствени пътуващи полета наричаме радио.
Друг пример за класическо поле е гравитационното поле. То има специалното свойство да действа върху всички материални обекти в дадена област на пространството. Трудно е за експериментиране, защото гравитационното поле, произведено от който и да е обект с удобен лабораторен размер, е абсурдно слабо. Поради тази причина никога не сме успели да открием каквито и да било ефекти от свободно пътуващи гравитационни вълни, които вероятно съществуват в близост до бързо вибрираща маса. Също така е невъзможно да се измерят възможните взаимодействия между гравитационните и електромагнитните полета. Това е основната причина, поради която знаем толкова по-малко за гравитацията в сравнение с останалите полета.
Каква е картината, която имаме предвид, когато се опитваме да визуализираме класическо поле? Характерно е, че съвременните физици не се опитват да визуализират обектите, които обсъждат. През XIX век беше различно. Тогава изглеждаше, че вселената е изградена от твърди механични обекти, и че за да се разбере електрическото поле, беше необходимо да се визуализира полето като механичен стрес в материално вещество. Беше възможно, всъщност, да се визуализират електрическите и магнитните полета по този начин. За да се направи това, хората си представяха материално вещество, наречено „етер“, което се предполага, че изпълва цялото пространство и носи електрическите и магнитните напрежения. Но докато теорията се развиваше, свойствата на етера ставаха все по-невероятни. Айнщайн през 1905 година накрая се отказа от етера и предложи нова и проста версия на теорията на Максуел, в която етерът не беше споменат. След 1905 година постепенно се отказахме от идеята, че всичко във вселената трябва да бъде визуализирано механично. Сега знаем, че механичните обекти са съставени от атоми, държани заедно от електрически полета, и следователно няма смисъл да се опитваме да обясняваме електрическите полета в термини на механични обекти.
Все още е удобно понякога да си представяме електрическо поле. Например, можем да го мислим като течност, която запълва дадено пространство и която във всяка точка има определена скорост и посока на течението. Скоростта на течността е модел за силата на полето. Но никой днес не си представя, че течността наистина съществува или че обяснява поведението на полето. Течащата течност е просто модел, удобен начин за изразяване на нашето знание за полето в конкретни термини. Тя е добър модел, стига да помним да не го приемаме сериозно. Не трябва да очакваме, че уравненията на движението на електрическото поле ще бъдат същите като тези на всяка уважаваща себе си течност. За съвременния физик електрическото поле е фундаментално понятие, което не може да бъде сведено до нещо по-просто. То е уникално нещо с набор от известни свойства, и това е всичко, което можем да кажем за него. С това уточнение, читателят може безопасно да мисли за течащата течност като за доста точно представяне на това, което имаме предвид под класическо електрическо поле. Електрическите и магнитните полета тогава трябва да бъдат визуализирани като две различни течности, които запълват цялото пространство, движейки се отделно и свободно проникващи една в друга. Във всяка точка има две скорости, представляващи силите на електрическите и магнитните компоненти на общото електромагнитно поле.
Характерно за класическото поле е, че неговата сила в дадена точка се променя плавно, когато точката се движи в пространството. Следователно моделът на течността трябва да бъде представен като идеална течност, която не е съставена от атоми, но изпълва цялото пространство равномерно и има добре определена скорост във всяка точка.
Идеята, която унищожи етера, беше принципът на относителността, въведен от Айнщайн през 1905 година. Този принцип гласи, че свойствата на празното пространство винаги са едни и същи, независимо от скоростта, с която експериментаторът се движи през него. Дори ако съществува материален етер, изпълващ пространството, експериментаторът не може да измери неговата скорост. За практически цели етерът е невидим. Ако съществува, той не представлява интерес за нас. Картината на света става по-проста, ако се откажем от етера и говорим само за електрически и магнитни полета в празното пространство. Айнщайн създаде пълна теория на класическото електромагнитно поле и неговите взаимодействия с материята, като използваше принципа на относителността като своя отправна точка. През 1916 година той разшири идеята за относителността, за да конструира своята теория на класическото гравитационно поле. Тези теории остават и днес съществено такива, каквито Айнщайн ги остави.
Класическите полеви теории на Айнщайн, електромагнитната и гравитационната, заедно ни дават задоволително обяснение на всички явления в голям мащаб. Те обясняват всичко във физическия свят, което може да бъде обяснено, без да се взима предвид фактът, че светът е изграден от частици. Има всички причини да се вярва, че класическите полеви теории са правилни, докато говорим за обекти, много по-големи и по-тежки от атома. Но те напълно се провалят в описанието на поведението на отделни атоми и частици. За да разберем малкия мащаб на физиката, физиците трябваше да изобретят квантовата механика и идеята за квантово поле.
КВАНТОВИ ПОЛЕТА
За съжаление, квантовото поле е дори по-трудно за визуализиране, отколкото класическото поле. Основната аксиома на квантовата механика е принципът на неопределеността. Той гласи, че колкото по-внимателно наблюдаваме даден обект, толкова повече обектът се нарушава от нашето наблюдение, и толкова по-малко можем да знаем за последващото състояние на обекта. Друг, по-малко точен начин да се изрази същият принцип е да се каже, че обектите с атомни размери се колебаят постоянно; те не могат да поддържат точно определено положение за крайно дълго време. Техните квантови колебания никога не са напълно предсказуеми, а законите на квантовата механика ни казват само статистическото поведение на колебанията, когато са усреднени за дълъг период от време. Универсалното съществуване на тези колебания и общата точност на законите на квантовата механика са проверени от множество експерименти през последните тридесет години.
Как квантовите колебания влияят на класическите полета? Отговорът е: изобщо не. Колебанията не са наблюдаеми с обикновено голямомащабно оборудване. Гледано с голямомащабен апарат, квантовото поле се държи точно като класическо поле. Само когато измерим ефектите на електромагнитно поле върху отделен атом, квантовите колебания на полето стават забележими. Физиците Уилис Ламб и Робърт Ретърфорд от Колумбийския университет са наблюдавали ефектите на електромагнитни полета върху отделни водородни атоми. Те са успели да измерят ефектите на полетата с голяма точност. Ефектът на квантовите колебания, който сам по себе си е малка част от общия ефект на полетата, беше измерен с точност по-добра от една част на хиляда. В рамките на тази граница на възможната грешка, ефектът се съгласуваше с изводите на квантовата теория на полето. Експериментът на Ламб-Ретърфорд е най-силното доказателство, което имаме за вярването, че нашата представа за квантовото поле е правилна в детайли.
С риск да накарам някои професионални квантови теоретици да пребледнеят, ще опиша механичен модел, който може да даде представа за природата на квантовото поле. Представете си течащата течност, която служеше като модел за класическо електрическо поле. Но предположете, че потокът, вместо да бъде гладък, е турбулентен, като следата от океански лайнер. Над наложеното на средното движение има огромно объркване от въртопи, от всякакви размери, които се преплитат и смесват един с друг. Във всяка малка област на течността скоростта непрекъснато се колебае по по-малко или повече случаен начин. Колкото по-малка е областта, толкова по-бурни и бързи са колебанията. В реална течност тези колебания са ограничени от два фактора: вискозитета или лепкавостта на течността, която потиска турбулентните движения, и атомната структура на течността, която задава минимален размер за въртопите, тъй като няма смисъл да се говори за въртопи, съдържащи само няколко атома. В нашия модел на квантовото поле обаче предполагаме, че нито един от тези фактори не действа. Няма дисипация на енергия чрез вискозитет, нито минимален размер на въртопите. Скоростта в дадена област може да продължи да се колебае без отслабване завинаги, и колебанията стават все по-интензивни неограничено, когато размерът на областта се намалява.
Моделът не описва правилно детайлните квантово-механични свойства на квантовото поле; никакъв класически модел не може да направи това. Но той дава сравнително валидна картина на общия вид на нещата. По-специално, моделът прави ясно, че е безсмислено да се говори за скоростта на течността в която и да е точка. Колебанията в околността на точката стават безкрайно големи, когато околността намалява. Самата скорост в точката няма смисъл. Единствените величини, които имат смисъл, са скорости, усреднени за области на пространството и за периоди от време. Това свойство на модела е вярно представяне на свойство на квантовото поле. Силата на квантовото поле в дадена точка никога не може да бъде измерена. Квантовата теория на полето е теория на поведението на силите на полето, усреднени за крайни области от пространство и време.
ЧАСТИЦИТЕ СЕ ПОЯВЯВАТ
Сега идва кулминацията на историята. В теорията на квантовото поле сме въвели две големи идеи: идеята за квантовата механика и идеята за относителността. Тези две идеи ни принуждават да изградим математическа теория, която в основните си линии е фиксирана. Единствената свобода, която ни остава, е в детайлите. Когато извеждаме последиците от тази математическа теория, откриваме, че се е случило чудо. Автоматично се появява трета голяма идея, че светът е изграден от елементарни частици. Тази идея е следствие от факта, че в квантовото поле енергията може да съществува само в дискретни единици, които наричаме кванти. Когато разработим теорията на тези кванти, откриваме, че те имат точно свойствата на елементарните частици, които наблюдаваме в света около нас.
Не е възможно да се обясни на нетехнически език как частиците възникват математически от колебанията на полето. Това не може да се разбере, като се мисли за турбулентна течност или който и да е друг класически модел. Всичко, което мога да кажа тук, е, че това се случва. И това е основната причина да вярваме, че понятието за квантово поле е валидно понятие и ще оцелее при всякакви промени, които могат по-късно да се направят в детайлите на теорията.
Картината на света, до която най-накрая стигнахме, е следната. Съществуват десет или двадесет различни квантови полета. Всяко от тях запълва цялото пространство и има свои специфични свойства. Няма нищо друго освен тези полета; целият материален свят е изграден от тях. Между различни двойки полета съществуват различни видове взаимодействия. Всяко поле се проявява като вид елементарна частица. Частиците от даден вид са идентични и неразличими. Броят на частиците от даден вид не е фиксиран, защото частиците постоянно се създават или унищожават или се трансформират една в друга. Свойствата на взаимодействията определят правилата за създаване и трансформация на частиците.
В тази картина на света електромагнитното поле се появява наравно с останалите полета. Частицата, съответстваща на него, е квантът на светлината, или фотонът. Фотонът изглежда различен от другите елементарни частици само защото законите на взаимодействие на фотона го правят особено лесен за създаване и унищожаване. Така че фотонът изглежда по-малко постоянен от електрона. Но това е само разлика в степен. Всички частици, включително електронът, могат бързо да бъдат унищожени при подходящи условия.
Елементарната частица, съответстваща на гравитационното поле, е наречена гравитон. Малко съмнение има, че гравитонът съществува във формален математически смисъл. Въпреки това, никой никога не е наблюдавал индивидуален гравитон. Поради изключителната слабост на гравитационното взаимодействие, само големи маси произвеждат наблюдаеми гравитационни ефекти. В случай на големи маси, броят на гравитоните, участващи във взаимодействието, е голям и полето се държи като класическо поле. Следователно може никога да не бъде възможно да се наблюдава индивидуален гравитон. Дали гравитонът има реално съществуване, е един от важните открити въпроси във физиката.
Електромагнитните и гравитационните полета имат едно основно свойство, което ги обединява. Те са дългоохбватни полета, като техните ефекти се усещат на големи разстояния. Това е свързано с факта, че фотонът и гравитонът нямат маса на покой и винаги пътуват с фиксирана скорост, скоростта на светлината. Почти всички останали полета в природата имат къс обхват, по-малък от размера на атом, и техните ефекти не могат да се усетят отвъд това разстояние. Късообхватните полета не могат да бъдат открити по класически начин, като се измерват техните ефекти върху големи обекти. Те никога не се държат като класически полета в никаква експериментална ситуация. Ето защо полето, съответстващо на електрона, никога не беше разпознато като поле, докато не беше изобретена квантовата теория на полето. Дори и сега, полето на електрона изглежда по-чуждо на нас в сравнение с електромагнитното поле. В основата си, двете са много сходни. Основната разлика между тях е малкият обхват на електронното поле, което води до това, че електронът притежава маса на покой и може да пътува бавно или да остане свързан в атома. Повечето от другите известни частици – протони, неутрони, многото видове мезони – също имат покойна маса и са свързани с краткосрочни полета.
Най-впечатляващият успех на квантовата теория на полето е нейното третиране на заредените полета. Според теорията, квантовото поле може да носи, или да не носи електрически заряд. Например, полето на електрона носи заряд, докато електромагнитното поле не го носи. Теорията предсказва, че всяко заредено поле трябва да бъде представено от два вида частици, напълно еднакви във всички отношения, освен че една от тях има положителен, а другата – отрицателен заряд. Теорията също така предсказва, че при подходящи условия може да бъде създадена или унищожена двойка такива частици, една положителна и една отрицателна, в едно събитие. Всички тези предсказания на теорията са потвърдени в случая на електронното поле. Съществува частица, позитрон, която е точно като електрона, освен че има противоположен заряд. Има също поне два вида мезони, които съществуват във форми с положителен и отрицателен заряд. Теорията предсказва, че трябва да съществува антипротон, частица с отрицателен заряд, но в останалите отношения идентична с протона. Антипротонът все още не е открит. Той представлява изключително предизвикателство за експерименталните физици да го открият или за теоретичните физици да обяснят защо не трябва да съществува.
Дори и за закоравелите теоретични физици, предизвиква постоянно удивление това, че нашият солиден свят от дървета и камъни може да бъде изграден от квантови полета и нищо друго. Квантовото поле изглежда твърде флуидно и неустойчиво, за да бъде основното вещество на вселената. И все пак, постепенно научихме да приемаме факта, че законите на квантовата механика налагат собствената си особена твърдост върху полетата, които управляват, твърдост, която е чужда на нашите интуитивни представи, но която въпреки това ефективно държи Земята на мястото й. Научихме да прилагаме, както за себе си, така и за нашия предмет, думите на Робърт Бриджис:
„Нашата стабилност е само баланс, а нашата мъдрост се състои в майсторското управление на непредвиденото.“
