Читати книгу - "Пояснюючи світ"

Відповіді були отримані в перші три десятиліття XX століття з розвитком квантової механіки – найрадикальнішої інновації в теоретичній фізиці з часів роботи Ньютона. Як можна припустити з її назви, квантова механіка потребує квантування (тобто дискретизації) енергій різноманітних фізичних систем. У 1913 році Нільс Бор припустив, що атом може існувати лише у станах певних визначених енергій, і запропонував правила обчислення цих енергій у найпростіших атомах. Наслідуючи більш ранні роботи Макса Планка, Ейнштейн ще в 1905 році припустив, що енергію світла передають кванти – частинки, названі пізніше фотонами, причому енергія кожного фотона пропорційна частоті світла. Як пояснив Бор, коли атом втрачає енергію, випромінюючи один-єдиний фотон, енергія цього фотона має дорівнювати різниці енергій початкового та кінцевого станів атома – вимога, що фіксує його частоту. Завжди є якийсь атомний стан найнижчої енергії, який не може випромінювати радіацію, а тому стабільний.

Після цих перших кроків у 1920-х роках були вироблені загальні правила квантової механіки – правила, які можна застосувати до будь-якої фізичної системи. Це було досягненням переважно Луї де Бройля, Вернера Гейзенберґа, Вольфґанґа Паулі, Паскуаля Йордана, Ервіна Шредінґера, Пола Дірака та Макса Борна. Енергії дозволених атомних станів обчислюють, розв’язуючи одне рівняння (рівняння Шредінґера) загального математичного типу, уже знайомого з вивчення звукових та світлових хвиль. Струна на музичному інструменті може породжувати лише ті тони, для яких на струні можна розмістити ціле число половин довжини хвилі; аналогічно і Шредінґер виявив, що дозволені енергетичні рівні атома є тими, для яких хвиля, описувана його рівнянням, підходить лише для атома без порушень неперервності. Але як вперше усвідомив Борн, ці хвилі є не хвилями тиску або електромагнітних полів, а хвилями ймовірності – частинка, найімовірніше, буде поблизу точки, де функція хвилі найбільша.

Квантова механіка не лише розв’язала проблему стабільності атомів та природи спектральних ліній, а й увела хімію до структури фізики. Знаючи електричні сили, що діють між електронами та атомними ядрами, рівняння Шредінґера можна було застосувати до молекул так само, як і до атомів, та обчислити енергії їхніх різноманітних станів. Отже, стало можливим загалом визначити, які молекули стабільні та які хімічні реакції можливі з погляду енергії. У 1929 році Дірак тріумфально оголосив, що «глибинні фізичні закони, необхідні для математичної теорії більшої частини фізики та всієї хімії, тепер повністю відомі»5.

Це не означало, що хіміки тепер могли перекласти свої проблеми на фізиків і просто піти собі на відпочинок. Як добре розумів Дірак, для всіх молекул, крім найдрібніших, рівняння Шредінґера надто складне для розв’язання, тому спеціальні інструменти та хімічні підходи залишаються необхідними. Але з 1920-х років стало зрозуміло, що будь-який загальний принцип хімії, як-от правило про те, що метали утворюють стабільні сполуки з галогеновими елементами, наприклад із хлором, такі, як вони є, через квантову механіку ядер та електронів, на які діють електромагнітні сили.

Попри свою велику пояснювальну потугу, це обґрунтування було далеке від задовільного узагальнення. Адже знали про частинки: електрони, протони та нейтрони, з яких утворені ядра атомів. А ще про поля: електромагнітне та ще якісь невідомі тоді поля короткої дії, імовірно, відповідальні за сильні взаємодії, що утримують разом ядра атомів, і за слабкі взаємодії, що перетворюють нейтрони на протони або протони на нейтрони у процесі радіоактивності. Ця відмінність між частинками та полями почала зникати в 1930-х роках із появою квантової теорії поля. Так само, як є електромагнітне поле, енергія та імпульс якого складаються разом у частинки, відомі як фотони, є також електронне поле, енергія та імпульс якого складаються разом в електрони; і так само є поля для інших типів елементарних частинок.

Це було далеким від очевидного. Ми можемо безпосередньо відчувати впливи гравітаційного та електромагнітного полів, бо кванти цих полів мають нульову масу і є частинками типу (відомого як бозони), які у великих кількостях можуть перебувати в однаковому стані. Завдяки цим властивостям великі кількості фотонів можуть накопичуватися щоб формувати стани, які ми спостерігаємо як електричні та магнітні поля, що, схоже, підкоряються правилам класичної (тобто неквантової) фізики. Натомість електрони мають масу і є частинками типу (відомого як ферміони), дві частинки якого не можуть перебувати в однаковому стані, тому електронні поля неможливо виявити під час макроскопічних спостережень.

Наприкінці 1940-х років квантова електродинаміка, квантова теорія поля фотонів, електронів та антиелектронів досягли неймовірних успіхів, зокрема була розрахована сила магнітного поля електрона, і це значення відповідало експериментам із точністю до багатьох знаків після коми[66]. Після цього досягнення було цілком природно спробувати розробити квантову теорію поля, що охоплювала б не лише фотони, електрони та антиелектрони, а й інші частинки, які вчені продовжують відкривати в космічних променях та прискорювачах, а також слабкі та сильні взаємодії, що на них діють.

Сьогодні ми маємо квантову теорію поля, відому як Стандартна модель. Ця Стандартна модель є розширеною версією квантової електродинаміки. Крім поля електрона, є поле нейтрино, кванти якого є ферміонами, схожими на електрони, але з нульовим електричним зарядом та майже нульовою масою. Є кілька кваркових полів, кванти якого є складовими протонів та нейтронів, з яких складаються ядра атомів. З причин, які ніхто не розуміє, цей набір повторюється двічі: зі значно важчими кварками та значно важчими електроноподібними частинками та їхніми партнерами-нейтрино. Електромагнітне поле з’являється в уніфікованій «електрослабкій» картині нарівні з іншими полями, відповідальними за слабкі ядерні взаємодії, і завдяки цьому протони та нейтрони можуть перетворюватися одні на одних під час радіоактивного розпаду. Квантами цих полів є важкі бозони: електрично заряджені W+ та W− або електрично нейтральні Z0. Є також вісім математично аналогічних «глюонових» полів, відповідальних за сильні ядерні взаємодії, що утримують кварки разом усередині протонів та нейтронів. У 2012 році було відкрито останній відсутній елемент Стандартної моделі: важкий електрично нейтральний бозон, передбачений раніше електрослабкою частиною цієї моделі.

Стандартна модель – це ще не кінець історії. Вона залишає осторонь силу тяжіння; вона не пояснює «темну матерію», що, як стверджують астрономи, становить 5/6 маси Всесвіту; а ще ця модель має забагато непояснених числових значень, зокрема співвідношення мас різноманітних кварків та електроноподібних частинок. Але навіть при цьому Стандартна модель дає на диво уніфікований погляд на всі