С полями та же история. Согласно квантовой теории поля, существуют определённые базовые поля, из которых состоит мир, и волновая функция Вселенной — суперпозиция всех возможных значений, которые могут принимать эти поля. Если мы наблюдаем квантовые поля — очень внимательно, при помощи достаточно точных инструментов, — то видим отдельные частицы. В случае электромагнитного ноля эти частицы называются «фотонами», а частица гравитационного поля называется «гравитон». Мы ещё ни разу не наблюдали отдельный гравитон, поскольку гравитационное поле очень слабо и взаимодействует с другими полями, но базовая структура квантовой теории поля не оставляет сомнений в том, что гравитоны существуют. Если поле сохраняет постоянное значение во времени и в пространстве, то мы ничего не обнаруживаем, но, как только поле начинает вибрировать, мы можем наблюдать эти вибрации в виде частиц.

Существуют две основные разновидности полей и ассоциированных с ними частиц; эти частицы называются «бозонами» и «фермионами». Бозоны, например фотон и гравитон, могут сбиваться в кучи, образуя при этом силовые поля. Фермионы занимают место в пространстве; в любом месте в любое время может находиться только один фермион. Из фермионов, к числу которых относятся электроны, протоны и нейтроны, состоят материальные объекты, например вы, я, стулья, планеты; причём все тела, образованные из фермионов, кажутся твёрдыми. Два электрона, которые являются фермионами, не могут одновременно находиться в одном и том же месте; в противном случае объекты, состоящие из атомов, просто сколлапсировали бы, уменьшившись до микроскопических размеров.

* * *

Обычная материя, из которой состоим и вы, и я, и Земля, и всё, что вы видите вокруг, на самом деле слагается всего из трёх видов частиц и трёх типов взаимодействий. Электроны в атоме связаны с ядром посредством электромагнетизма, а само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе посредством ядерного взаимодействия. Разумеется, вся материя находится под действием гравитации. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из двух типов более мелких частиц: u– кварков и d– кварков. Кварки удерживаются вместе под влиянием сильного ядерного взаимодействия, обусловленного частицами, которые называются «глюоны». «Ядерное взаимодействие» между протонами и нейтронами — это своеобразная «отдача» сильного ядерного взаимодействия. Ещё есть слабое ядерное взаимодействие, обусловленное W– бозонами и Z– бозонами, благодаря которому все частицы могут взаимодействовать с последним неупомянутым фермионом — нейтрино. Четыре фермиона (электрон, нейтрино, u– кварки и d– кварки) — представители лишь одного поколения фермионов, а всего таких поколений три. Наконец, все эти частицы существуют в поле Хиггса, сообщающем массу всем частицам, которые её имеют.

Поля и ассоциированные с ними частицы, из которых состоит окружающий мир

На рисунке показана совокупность основных полей и ассоциированных с ними частиц. Это более подробная схема атома водорода, который мы уже рассматривали в главе 20. Два поколения более тяжёлых фермионов здесь не указаны, поскольку эти частицы обычно очень быстро распадаются. Только те частицы, что показаны на этом рисунке, существуют достаточно долго и образуют объекты окружающего мира. Полный набор частиц рассматривается в приложении.

* * *

Физики подразделяют наши теоретические представления об этих частицах и взаимодействиях на две великие теории: стандартную модель физики частиц, охватывающую все упомянутые здесь феномены, кроме гравитации, и общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию как кривизну пространства–времени. Нам недостаёт полной «квантовой теории гравитации» — такой модели, которая бы основывалась на принципах квантовой механики и согласовывалась с общей теорией относительности при рассмотрении явлений в «классическом» ключе. Теория суперструн — одна из многообещающих кандидатур на роль такой модели, но пока мы просто не умеем рассуждать о ситуациях, когда гравитация очень сильна — например, такая, как вскоре после Большого взрыва или внутри чёрной дыры, если говорить в терминах квантовой механики. Один из величайших вызовов настоящего времени, которым озабочены физики-теоретики со всего мира, — выработать такой способ рассуждения.

Однако мы не живём внутри чёрной дыры, да и Большой взрыв был достаточно давно. В нашем мире гравитация сравнительно слабая. Поскольку эта сила невелика, квантовая теория вообще обходится без описания гравитации. Вот почему мы не сомневаемся в реальности гравитонов: с учётом базовых свойств общей теории относительности и квантовой теории поля они неизбежно должны существовать, пусть у нас и нет исчерпывающей теории квантовой гравитации.

Область применения квантовой гравитации в том виде, как мы её сегодня понимаем, охватывает всё разнообразие нашего повседневного опыта. Соответственно, нет никаких причин и далее отделять стандартную модель и общую теорию относительности друг от друга. Что касается физики той материи, которую вы видите вокруг, вся она отлично описывается одной большой квантовой теорией поля. Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек назвал её Базовой теорией (Core Theory). Это квантовая теория поля, описывающая кварки, электроны, нейтрино, все семейства фермионов, электромагнетизм, гравитацию, ядерные взаимодействия и поле Хиггса. В приложении она изложена более подробно. Базовая теория — не самое изящное произведение, когда-либо родившееся в воображении у физика, но она удивительно успешно подтверждается практически во всех экспериментах, которые когда-либо ставились в лабораториях у нас на Земле. (Как минимум по состоянию на середину 2015 года, неожиданных сюрпризов никто не отменял.)

В предыдущей главе мы пришли к выводу о том, что мир «как он есть» — это квантовая волновая функция. Волновая функция — это суперпозиция конфигураций материи. Далее встаёт такой вопрос: функцией от чего является волновая функция? В контексте нашей повседневной жизни на этот вопрос можно ответить так: «От фермионных и бозонных полей Базовой теории».

* * *

Для того чтобы почти полностью описать нашу повседневную жизнь, нам не нужен практически весь аппарат Базовой теории. Сравнительно тяжёлые фермионы очень быстро распадаются. В основе всего лежит поле Хиггса, но, чтобы породить сам бозон Хиггса — частицу, которую мы наблюдаем, когда поле Хиггса начинает вибрировать, — нужен ускоритель частиц стоимостью порядка 10 миллиардов долларов, такой как Большой адронный коллайдер, расположенный в швейцарской Женеве. И эта частица всё равно распадается примерно через одну зептосекунду. Нас повсюду окружают нейтрино, но слабое ядерное взаимодействие настолько мало, что обнаружить их очень сложно. Солнце излучает нейтрино сплошным потоком, так что каждую секунду через ваше тело пролетает около ста триллионов этих частиц, но, подозреваю, вы этого ни разу не почувствовали.

Практически весь эмпирический опыт слагается из минимального количества составляющих. Это различные атомные ядра, которые перечислены в таблице Менделеева; вьющиеся вокруг них электроны, а также две дальнодействующие силы, обеспечивающие взаимодействия всех этих частиц, — гравитация и электромагнетизм. Если вы хотите описать всё, что происходит в скалах и лужицах, ананасах и броненосцах, — то это всё, что вам потребуется. А гравитация, следует признать, довольно проста. Все тела взаимно притягиваются. Все реальные структуры и сложность, наблюдаемая в мире, порождаются электронами (и тем фактом, что они не могут примыкать друг к другу), взаимодействующими с ядром и с другими электронами.