В краткий момент посредине, по крайней мере на некоторое время, что-то рождается из ничего! Фейнман красиво описывает этот очевидный парадокс в своей работе «Теория позитронов» (1949 г.), используя восхитительную военную аналогию:
Это как если бомбардир, высматривая одну дорогу через прицел низко летящего самолета, вдруг видит три дороги, и лишь когда две из них сходятся вместе и снова исчезают, он понимает, что он просто пролетал над длинной петлей одной дороги.
Поскольку период времени в течение этой «петли» настолько короткий, что мы не можем прямо измерить все частицы, квантовая механика и теория относительности предполагают, что эта странная ситуация не просто допускается, она возникает обязательно. Частицы, которые появляются и исчезают в масштабах времени, слишком коротких для измерения, называют виртуальными частицами.
Теперь открытие целого ряда новых частиц в пустом пространстве, которых нельзя измерить, очень похоже на множество ангелов, сидящих на булавочной головке. И это была бы примерно такая же бесплодная идея, если бы у этих частиц не было никаких других заметных эффектов. Тем не менее, хотя их нельзя наблюдать непосредственно, оказывается, их косвенные эффекты производят большую часть свойств Вселенной, которые мы знаем сегодня. Мало того, можно рассчитать влияние этих частиц точнее, чем при любом другом научном расчете.
Рассмотрим, например, атом водорода — систему, которую Бор попытался объяснить, разработав свою квантовую теорию, а Шредингер позже попытался описать, выведя свое знаменитое уравнение. Красота квантовой механики была в том, что она могла объяснить определенные цвета света, излучаемого водородом, когда он нагрет, утверждая, что электроны, вращающиеся вокруг протона, могут существовать только на дискретных уровнях энергии, и когда они прыгают между уровнями, они поглощают или излучают только фиксированный набор частот света. Уравнение Шредингера позволяет вычислить предсказанные частоты, и оно дает почти абсолютно правильный ответ.
Но не совсем.
Когда спектр водорода изучили более тщательно, то увидели, что он был более сложным, чем оценивалось ранее, с некоторыми дополнительными неболь-тттими разделениями между наблюдаемыми уровнями, называемыми «тонкой структурой» спектра. Хотя эти разделения были известны со времен Бора, и было подозрение, что, возможно, релятивистские эффекты имеют к ним какое-то отношение, пока релятивистская теория не стала полностью доступна, никто не мог подтвердить это подозрение. К счастью, благодаря уравнению Дирака удалось улучшить предсказания по сравнению с уравнением Шредингера и воспроизвести общую структуру наблюдений, в том числе тонкую структуру.
Пока все хорошо, но в апреле 1947 года экспериментатор из Соединенных Штатов Уиллис Лэмб и его ученик Роберт С. Резерфорд провели эксперимент, который мог бы показаться невероятно плохо мотивированным. Они поняли, что имели техническую возможность измерять структуру уровней энергии атомов водорода с точностью до 1 части на 100 миллионов.
Зачем им это было надо? Что ж, всякий раз, когда экспериментаторы находят новый метод измерения чего-то со значительно большей точностью, чем это было возможно раньше, это часто бывает достаточной мотивацией для них, чтобы идти вперед. При этом часто обнаруживаются целые новые миры, как тогда, когда голландский ученый Антони ван Левенгук первым посмотрел на каплю, казалось бы, чистой воды с помощью микроскопа в 1676 году и обнаружил, что она кипит жизнью. В данном случае, однако, у экспериментаторов была более прямая мотивация. До эксперимента Лэмба доступная экспериментальная точность не позволяла детально проверить предсказание Дирака.
Уравнение Дирака предсказывало общую структуру новых наблюдений, но ключевым вопросом, на который хотел ответить Лэмб, было предсказывало ли оно их детально. Это был единственный способ действительно проверить теорию. И когда Лэмб проверил эту теорию, казалось, он получил неправильный ответ, в масштабе примерно 100 частей на миллиард, что значительно выше чувствительности его аппарата.
Такое маленькое расхождение с экспериментом может показаться незначительным, но предсказания теории Дирака в ее простейшей интерпретации были однозначны, как и эксперимент, и они отличались.
В течение следующих нескольких лет за дело взялись лучшие теоретические умы в физике и попытались разрешить это несоответствие. Ответ был получен после огромной работы, и когда пыль осела, стало ясно, что уравнение Дирака на самом деле дает совершенно правильный ответ, но только если учитывать влияние виртуальных частиц. Графически это можно представить следующим образом. Атомы водорода, как правило, в книгах по химии изображаются вот так, с протоном в центре и электроном, вращающимся вокруг него, прыгающим между различными уровнями:
Однако как только мы допускаем возможность, что электронно-позитронные пары могут ненадолго спонтанно появляться из ничего, прежде чем снова уничтожить друг друга, в течение любого короткого времени атом водорода в действительности выглядит следующим образом:
В правой части рисунка я нарисовал такую пару, которая затем аннигилировала в верхней части. Виртуальный электрон, будучи заряженным отрицательно, любит держаться неподалеку от протона, а позитрон любит оставаться дальше. В любом случае, из этого рисунка видно, что фактическое распределение заряда в атоме водорода не объясняется, в любой момент, только одним электроном и протоном.
Примечательно, что мы, физики, усвоили (после всей этой тяжелой работы Фейнмана и других), что мы можем использовать уравнение Дирака для вычисления, с произвольно высокой точностью, воздействия на спектр водорода всех возможных виртуальных частиц, которые могут существовать периодически поблизости от него. И когда мы это сделали, мы выдали самый лучший, самый точный прогноз во всей науке. Все другие научные прогнозы бледнеют в сравнении с ним. В астрономии самые последние наблюдения космического микроволнового фонового излучения позволяют сравнить их с теоретическими предсказаниями на уровне, возможно, 1 часть на 100 000, что замечательно. Тем не менее, с помощью уравнения Дирака и предсказанного существования виртуальных частиц мы можем вычислить значение атомных параметров и сравнить их с результатами наблюдений, и они замечательно согласуются на уровне примерно 1 часть на миллиард или лучше!
Поэтому виртуальные частицы существуют. Тогда как с захватывающей точностью, доступной в атомной физике, вряд ли что-то может сравниться, есть одно место, где виртуальные частицы играют ключевую роль, которое фактически может иметь более непосредственное отношение к центральному вопросу этой книги. Оказывается, они ответственны за большую часть вашей массы, и массы всего, что мы видим во Вселенной.
Один из крупных успехов в 1970-е годы в нашем фундаментальном понимании материи пришел с открытием теории, точно описывающей взаимодействие кварков, частиц, составляющих протоны и нейтроны, формирующих основную часть вещества, из которого сделаны вы и всё, что вы можете видеть. Математика, связанная с этой теорией, сложна, и потребовалось несколько десятилетий, прежде чем были разработаны методы, способные с нею справиться, особенно в режиме, где сильное взаимодействие между кварками стало ощутимым. Были приложены неимоверные усилия, в том числе построены несколько самых сложных компьютеров параллельной обработки, одновременно использующих десятки тысяч отдельных процессоров, с тем, чтобы попытаться вычислить фундаментальные свойства протонов и нейтронов, частиц, которые мы фактически измеряем.
После всей этой работы у нас теперь есть хорошее представление о том, как на самом деле выглядят внутренности протона. В нем может содержаться три кварка, но есть также многое другое. В частности, виртуальные частицы, отображающие частицы и поля, передающие сильное взаимодействие между кварками, постоянно то возникают, то исчезают. Вот снимок, как всё выглядит на самом деле. Конечно, это не настоящая фотография, а, скорее, художественная визуализация математики, регулирующей динамику кварков и полей, которые их связывают. Необычные формы и разные оттенки отражают силу полей, взаимодействующих друг с другом и с кварками внутри протона, когда виртуальные частицы спонтанно то возникают, то исчезают.
Протон периодически наполняется такими виртуальными частицами и фактически, когда мы пытаемся оценить, какой вклад они могли бы вносить в массу протона, мы находим, что сами кварки обеспечивают очень малую часть от общей массы, и что поля, создаваемые этими частицами, вносят большую часть энергии, составляющей энергию покоя протона и, следовательно, его массу покоя. То же самое верно для нейтрона, и, так как вы состоите из протонов и нейтронов, то же самое верно для вас!
