Ключевые идеи книги: Элегантная Вселенная. Cуперструны, скрытые измерения и поиски окончательной теории. Брайан Грин

Вращение электронов вокруг атомных ядер очень похоже на вращение планет вокруг Солнца, но аналогия эта обманчива: в микромире совсем другие законы. Прежде всего, физику-наблюдателю никогда не удастся поймать электрон. Если он точно измерит его скорость, то пострадает точность местоположения электрона; если удается уточнить местоположение, то неточной окажется скорость. Можно лишь описать вероятное положение электрона. С точки зрения привычной нам реальности это очень странно. Мы ведь точно знаем, что можем рассчитать, допустим, траекторию пули, зная ее скорость, направление и прочие характеристики. Если другой человек корректно пересчитает наши расчеты с теми же данными, результаты совпадут. Но в микромире мы можем рассчитать лишь вероятность траектории электрона, и у двух наблюдателей она всегда будет разной. Следует допустить, что элементарная частица находится не в одной конкретной точке, а одновременно где-то еще (физики так и сделали). Так что если бы мы взглянули на ядро атома, оно меньше всего походило бы на планету, вокруг которой степенно вращается спутник-электрон. Скорее, ядро предстало бы перед нами в туманной дымке: этот туман создавался бы мельканием неуловимых электронов.

Это чрезвычайно беспокоило Эйнштейна: он не признавал мира, в котором ключевую роль играет вероятность. Его знаменитая фраза «Бог не играет в кости» связана именно с отрицанием роли вероятности.

Но именно по таким правилам живет микромир. Кстати, в нем теория относительности не работает: пространство атомов вовсе не гладкое, а кипящее благодаря постоянному возникновению, столкновению и исчезновению частиц. Поскольку они наделены энергией и массой, они искривляют пространство, заставляя его бурлить.

В масштабе привычного нам мира все эти микроскопические бурления, конечно, сглаживаются, и мы их не чувствуем. Но стоит помнить о том, что хаотические перемещения частиц ежесекундно создают триллионы вероятностей. В обычном, ньютоновском, мире мы не можем проходить сквозь стены. А вот законы квантовой физики гласят, что в поведении каждой составляющей наше тело частицы заложена вероятность того, что однажды эта частица может пройти сквозь стену.

Стандартная модель

Чем глубже физики проникали в мир элементарных частиц, тем более разнообразным он оказывался. На сегодня выделено 17 частиц, которые считаются фундаментальными.

Они делятся на три типа:

кварки (верхний, нижний и др.);

лептоны (электрон, мюон, тау нейтрино и др.);

бозоны (глюон, фотон и др.).

Все частицы связаны тремя фундаментальными взаимодействиями – сильным, слабым ядерными взаимодействиями и электромагнитным (есть еще четвертое, гравитационное, но его мы в этой модели не найдем, о чем ниже).

Эти 17 частиц – ключевые ингредиенты Вселенной. Они объединены физиками в так называемую Стандартную модель, которую описывает квантовая теория поля. Эта теория чрезвычайно влиятельна: почти все предсказания Стандартной модели о свойствах микромира подтвердились с точностью до одной миллиардной – от одной миллиардной доли метра – это предел возможностей нынешней техники. И все-таки Стандартная модель не смогла стать теорией всего.

Она никак не объясняет проблему массы. В самом деле, почему элементарным частицам свойственны такие масса и заряд, какие у них есть? Почему, скажем, электрон в 1836 раз легче протона?